Il volume molare È una proprietà intensiva che indica quanto spazio occupa una talpa di una determinata sostanza o composto. È rappresentato dal simbolo Vm, y è espresso in unità di dm3/ mol per i gas e cm3/ mol per liquidi e solidi, perché questi ultimi sono più limitati dalle loro forze intermolecolari più elevate.
Questa proprietà è ricorrente quando si studiano i sistemi termodinamici che coinvolgono i gas; poiché, per liquidi e solidi, le equazioni per determinare Vm diventano più complicati e imprecisi. Pertanto, per quanto riguarda i corsi base, il volume molare è sempre associato alla teoria dei gas ideali..
Ciò è dovuto al fatto che gli aspetti strutturali sono irrilevanti per gas ideali o perfetti; tutte le sue particelle sono visualizzate come sfere che collidono elasticamente tra loro e si comportano allo stesso modo indipendentemente dalle loro masse o proprietà.
Stando così le cose, una mole di qualsiasi gas ideale occuperà, a una data pressione e temperatura, lo stesso volume Vm. Si dice quindi che in condizioni normali di P e T, rispettivamente 1 atm e 0 ºC, una mole di un gas ideale occuperà un volume di 22,4 litri. Questo valore è utile e approssimativo anche quando si valutano i gas reali.
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La formula immediata per calcolare il volume molare di una specie è:
Vm = V / n
Dove V è il volume che occupa e n la quantità della specie in talpe. Il problema è che Vm dipende dalla pressione e dalla temperatura che subiscono le molecole e si desidera un'espressione matematica che tenga conto di queste variabili.
L'etilene nell'immagine, H.DueC = CHDue, ha un volume molecolare associato limitato da un ellissoide verde. Questo HDueC = CHDue Può ruotare in più modi, che è come se detto ellissoide fosse spostato nello spazio per visualizzare quanto volume occuperebbe (ovviamente trascurabile).
Tuttavia, se il volume di un tale ellissoide verde lo moltiplichiamo per NPER, Numero di Avogadro, avremo quindi una mole di molecole di etilene; una talpa di ellissoidi che interagiscono tra loro. A temperature più elevate, le molecole si separeranno l'una dall'altra; mentre ad una pressione più alta, si contrarranno e ridurranno il loro volume.
Pertanto, Vm dipende da P e T. L'etilene ha una geometria piana, quindi non si può pensare che la sua Vm è esattamente ed esattamente uguale a quello del metano, CH4, di geometria tetraedrica e suscettibile di essere rappresentato con una sfera e non con un ellissoide.
Anche le molecole o gli atomi di liquidi e solidi hanno la loro Vm, che può essere approssimativamente correlato alla sua densità:
Vm = m / (dn)
La temperatura influisce sul volume molare per liquidi e solidi più della pressione, purché quest'ultima non vari bruscamente o sia esorbitante (nell'ordine di GPa). Allo stesso modo, come accennato con l'etilene, le geometrie e le strutture molecolari hanno una grande influenza sui valori di Vm.
Tuttavia, in condizioni normali si osserva che le densità per diversi liquidi o solidi non variano troppo nelle loro grandezze; lo stesso vale per i suoi volumi molari. Nota che più sono densi, più piccola sarà Vm.
Per quanto riguarda i solidi, il loro volume molare dipende anche dalle loro strutture cristalline (il volume della loro cella unitaria)..
A differenza di liquidi e solidi, per i gas ideali esiste un'equazione che ci permette di calcolare Vm in funzione di P e T e dei loro cambiamenti; questo è quello dei gas ideali:
P = nRT / V
Che è accomodante per esprimere V / n:
V / n = RT / P
Vm = RT / P
Se usiamo la costante dei gas R = 0,082 L atm K-1Talpa-1, quindi le temperature dovrebbero essere espresse in kelvin (K) e le pressioni in atmosfere. Nota che qui possiamo vedere perché Vm è una proprietà intensiva: T e P non hanno nulla a che fare con la massa del gas ma con il suo volume.
Questi calcoli sono validi solo in condizioni in cui i gas si comportano vicino all'idealità. Tuttavia, i valori ottenuti attraverso la sperimentazione hanno un piccolo margine di errore rispetto al teorico.
Esiste un gas Y la cui densità è 8,5 · 10-4 g / cm3. Se abbiamo 16 grammi equivalenti a 0,92 moli di Y, calcola il suo volume molare.
Dalla formula della densità possiamo calcolare quale volume di Y questi 16 grammi occupano:
V = 16 g / (8,5 10-4 g / cm3)
= 18,823,52 cm3 o 18,82 L
Quindi Vm Si calcola direttamente dividendo questo volume per il numero di moli dato:
Vm = 18,82 L / 0,92 mol
= 20,45 L / mol o L mol-1 o dm3Talpa-1
Nell'esempio precedente di Y, non è stato specificato in nessun momento quale fosse la temperatura che stavano subendo le particelle di detto gas. Supponendo che Y sia stato lavorato a pressione atmosferica, calcolare la temperatura necessaria per comprimerlo al volume molare determinato.
La dichiarazione dell'esercizio è più lunga della sua risoluzione. Usiamo l'equazione:
Vm = RT / P
Ma risolviamo per T, e sapendo che la pressione atmosferica è di 1 atm, risolviamo:
T = VmP / R
= (20,45 L / mol) (1 atm) / (0,082 L atm / K mol)
= 249,39 K
Cioè, una mole di Y occuperà 20,45 litri a una temperatura prossima a -23,76 ºC.
Seguendo i risultati precedenti, determinare Vm a 0 ºC, 25 ºC e allo zero assoluto alla pressione atmosferica.
Trasformando le temperature in kelvin, abbiamo prima 273,17 K, 298,15 K e 0 K. Risolviamo direttamente sostituendo la prima e la seconda temperatura:
Vm = RT / P
= (0,082 L atm / K mol) (273,15 K) / 1 atm
= 22,40 L / mol (0 ºC)
= (0,082 L atm / K mol) (298,15 K) / 1 atm
= 24,45 L / mol (25ºC)
All'inizio è stato menzionato il valore di 22,4 litri. Nota come Vm aumenta con la temperatura. Quando vogliamo fare lo stesso calcolo con zero assoluto, ci imbattiamo nella terza legge della termodinamica:
(0,082 L atm / K mol) (0 K) / 1 atm
= 0 L / mol (-273,15 ºC)
Il gas Y non può avere un volume molare inesistente; ciò significa che è stato trasformato in un liquido e l'equazione precedente non è più valida.
D'altra parte, l'impossibilità di calcolare Vm allo zero assoluto obbedisce alla terza legge della termodinamica, che dice che è impossibile raffreddare qualsiasi sostanza alla temperatura di zero assoluto.
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