Principio di Avogadro
Spiegazione del Principio di Avogadro
Il principio di Avogadro, oggigiorno indicato per lo più come legge di Avogadro, è una delle leggi fondamentali dei gas ideali.
Anche la legge di Avogadro, come tutte le leggi dei gas (legge di Boyle, legge di Charles, legge di Gay-Lussac, ecc.), è infatti rigorosamente valida soltanto per gas ideali; tuttavia essa è in prima approssimazione applicabile anche ai gas reali a condizioni prossime a quelle ambiente.
Cosa afferma il principio di Avogadro?
L'italiano Amedeo Avogadro nel 1811 ipotizzò che un gas è un insieme di particelle e che: nelle medesime condizioni di temperatura e pressione, volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di molecole.
Ciò significa che, per gas a comportamento ideale, nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione, volume e numero di molecole (e quindi numero di moli) sono direttamente proporzionali.
Avogadro chiarisce che gli elementi chimici allo stato gassoso, non sempre sono costituiti da singoli atomi, ma alcuni di essi (H2, N2, O2, Cl2) sono costituiti da molecole biatomiche.
Sempre secondo Avogadro, il volume di un gas dipende, a parità di pressione e temperatura, unicamente dal numero di particelle (atomi o molecole) presenti, mentre risulta indipendente dal tipo di molecola e dalle sue dimensioni.
Questa idea è risultata corretta, infatti le dimensioni delle particelle che costituiscono un gas sono molto piccole rispetto alle distanze che le separano.
Le relazioni tra i gas e il principio di Avogadro
Al tempo di Avogadro (1811) si riteneva cloro e idrogeno fossero costituiti da singoli atomi. Nella reazione tra un volume di idrogeno e un volume di cloro si sarebbe dovuto ottenere un solo volume di HCl.
Interpretazione errata della reazione tra idrogeno e cloro.
I fatti sperimentali dimostravano invece che dalla reazione si ottengono due volumi di HCl.
Avogadro ipotizzò che i gas idrogeno e cloro fossero costituiti da particelle formate da "atomi doppi" che si "liberavano" nel momento di combinarsi gli uni con gli altri.
Interpretazione corretta della reazione tra idrogeno e cloro.
Oggi sappiamo che l'intuizione di Avogadro è corretta e che alcuni gas sono formati da molecole biatomiche (H2, N2, O2, Cl2).
Principio di Avogadro ed equazione generale dei gas
Il principio di Avogadro è sostanzialmente enunciato nell'equazione generale dei gas, allorché si afferma che la mole di ogni specie gassosa a comportamento ideale (che contiene sempre uno stesso numero di molecole) occupa in ogni caso, per definiti valori della temperatura e della pressione, lo stesso volume.
Più in particolare, alla temperatura di 0°C e alla pressione di 1 atm (che sono le condizioni standard per un gas), una mole di qualsiasi gas occupa un volume di 22,4141 litri. Infatti, ricordando che:
P · V = n · R · T
in cui:
- P = pressione = 1 atm
- V = volume = ?
- n = numero moli = 1 mol
- T = temperatura = 0°C = 273,15 K
- R = costante universale dei gas = 0,0821 (L·atm)/(mol·K)
risulta che:
V = (n · R · T) / P
Da cui, sostituendo i dati in modo opportuno:
V = (1 · 0,0821 · 273) / 1 = 22,414 L
Determinazione del peso molecolare di una specie gassosa in base alla legge di Avogadro
La legge di Avogadro afferma che volumi uguali di gas nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione contengono ugual numero di particelle (siano esse atomi o molecole).
Pertanto, se si conosce il rapporto fra i pesi di due volumi uguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione, tale rapporto esprime anche il rapporto fra il peso della singola particella di uno dei due gas e quello della singola particella dell'altro; di conseguenza se è noto il peso molecolare di uno dei due, si calcola immediatamente il peso molecolare dell'altro.
Per rendere le idee più chiare e per facilitare la comprensione dell'argomento, proponiamo di seguito due esercizi sul principio di Avogadro.
Esercizio #1 sul principio di Avogadro
Determinare i volumi di Cl2O che si ottengono dalla reazione completa di 5 volumi di cloro Cl2 secondo la reazione:
2 Cl2 + O2 → 2 Cl2O
Svolgimento dell'esercizio
L'esercizio propone il calcolo dei volumi di biossido di cloro (Cl2O) che si ottengono dalla reazione completa di 5 volumi di cloro (Cl2) secondo l'equazione proposta.
Dall'equazione bilanciata della reazione chimica è possibile notare che per 2 volumi di cloro che reagiscono si formano 2 volumi di biossido di cloro; ciò significa che per ogni volume di Cl2 che reagisce si forma un volume di Cl2O.
Pertanto 5 volumi di cloro Cl2 porteranno alla formazione di altrettanti volumi di Cl2O.
Esercizio #2 sul principio di Avogadro
In determinate condizioni di pressione e temperatura 2 moli di Cl2 occupano un volume di 40,0 litri.
Si determini il volume occupato da 3 moli di N2 nelle medesime condizioni di temperatura e di pressione.
Svolgimento dell'esercizio
Secondo la legge di Avogadro, nelle medesime condizioni di temperatura e pressione, volume e numero di moli sono direttamente proporzionali. Pertanto per risolvere l'esercizio è sufficiente impostare una proporzione:
2 : 40,0 = 3 : X
da cui:
X = 60,0 L
Pertanto le 3 moli di N2 occupano un volume di 60,0 L.
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