Determinazione della densità di un gas

La densità di un gas dipende da vari fattori: il tipo di gas, la temperatura e la pressione in cui si trova il gas. E' possibile calcolare la densità di un gas con una formula che discende dalla legge dei gas perfetti.

Un gas perfetto è un gas le cui molecole sono puntiformi e di volume trascurabile, tutte uguali tra loro, che interagiscono con urti elastici tra loro e il contenitore in cui si trovano muovendosi di moto casuale.

La legge dei gas perfetti però può descrivere bene anche i gas reali in condizioni di pressione e temperatura lontane da quelle in cui avviene il passaggio di stato da gassoso a liquido. Possiamo quindi usare la stessa formula per calcolare la densità dei gas reali.

Durata: 1 ora

Scopo:

Determinare la densità dell’anidride carbonica ottenuta per reazione di bicarbonato di sodio con acido acetico al 10%.

Teoria:

La densità di un gas è data dal prodotto tra massa molare e pressione fratto il prodotto tra temperatura e costante universale dei gas.

d= PMm/RT

Che deriva dalla legge dei gas ideali  PV=nRT dove n è il numero di moli 

Materiale:

• Acido acetico 10%
• Bicarbonato di sodio 
• Acqua

Strumenti:

• Cilindro graduato da 100 ml
• Beuta da 250 ml
• Tappo di gomma forato
• Tubo in vetro a L
• Tubo di gomma flessibile
• Bacinella con diametro superiore all'altezza del cilindro
• Carta da filtro
• Sostegno universale con pinza
• Bilancia tecnica
• Pinza di Mohr

Procedimento:

1. Annotare sul quaderno di laboratorio il valore della temperatura e quello della pressione dell’ambiente;
2. Riempire la bacinella di acqua e riempire completamente il cilindro di acqua, immergendolo nella bacinella. Metterlo in posizione verticale, facendo attenzione a non far entrare aria, fissarlo all’asta di sostegno con la pinza;
3. Inserire nel cilindro il tubo di gomma collegato al tappo forato, nel quale è già stato introdotto il tubo di vetro a «L»: nel compiere questa operazione, spingi il tubo di gomma più in alto possibile;
4. Chiudere il tubo di gomma con la pinza di Mohr, circa a metà;
5. Mettere sulla bilancia tecnica il pezzetto di carta da filtro fare la tara e pesare diverse quantità di bicarbonato di sodio da 1,5 a 2 g;
6. Aggiungere sulla bilancia la beuta contenente 100 mL di acido acetico al 10%;
7. Annotare la massa complessiva della beuta (M1) e del bicarbonato sul quaderno di laboratorio;
8. Aggiungere il bicarbonato all’acido acetico, versandolo direttamente dalla carta da filtro nella beuta;
9. Chiudere il recipiente il più velocemente possibile, con il tappo di gomma collegato al tubo, poi togliere la pinza di Mohr: il gas che si sviluppa provoca un abbassamento del livello dell’acqua contenuta nel cilindro;
10. Leggere sul cilindro graduato il volume (V) del gas, quando la reazione è finita;
11. Stappare la beuta e pesarla (M2);
12. Verificare che si tratti di CO2 attraverso l’introduzione di una candela accesa nella beuta, dopo aver eseguito la pesata.

Risultato:

Costruire una tabella con i dati ricavati dall'esperimento:

Determinare la massa del gas ottenuto dalla reazione  M gas = M1 - M2

Riportare in grafico i valori di volume e massa trovati da ogni gruppo e determinare la densità dell'anidride carbonica.

Consigli di sicurezza:

Si consiglia di fare attenzione nel maneggiare la vetreria.

Commenti:

Bibliografia:

http://www.leviponti.edu.it/Didattica/Dispense/Chimica/ManualeEsperienzeLaboratorioChimicoBiennio.pdf

https://slideplayer.it/slide/191237/

Produzione di gas con l'apparecchio di Kipp

L'apparecchio di Kipp è uno strumento di laboratorio utile per dimostrare la presenza di gas liberato da una specifica reazione chimica tra una soluzione acquosa acida e un solido insolubile.

Lo strumento è composto da tre ampolle di vetro in connessione tra loro a due a due che permettono di osservare la formazione di gas e quindi il conseguente spostamento della soluzione acquosa nello scomparto superiore sotto la spinta del gas prodotto.

Durata: 45'

Scopo:

Produrre piccole quantità di acido solfidrico utilizzando l'apparecchio di Kipp

Teoria:

I tre settori che compongono l'apparecchio di Kipp vengono numerati dal basso all'alto da 1 a 3. I comparti 2 e 3, e 1 e 3 si trovano in connessione. La soluzione acida all'interno del settore 1 entra in contatto con il solido presente nel settore 2 e, reagendo, libera gas che si accumula all'interno del comparto 2 spingendo nell' la soluzione acida che a proseguendo risale nel comparto 3. La reazione all'interno dell'apparecchio avviene tra acido cloridrico e solfuro di ferro:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Il gas prodotto spinge l'acido cloridrico verso il basso fino a svuotare completamente la sezione 2 ed arrestando quindi la reazione, non avendo più contatto tra reagenti. Nel caso aprendo i rubinetti si liberasse il gas prodotto 

Materiale:

• Acido cloridrico 20%
• Zinco in pezzi
• Fiammiferi

Strumenti:

• Apparecchio di Kipp
• Imbuto
• Provette

Procedimento:

1. Introdurre lo Zinco in pezzi all'interno della sezione 2
2. Montare l'apparecchio di Kipp nei suoi 3 compartimenti
3. Versare l'acido cloridrico riempiendo la sezione 1 fino a raggiungere il contatto con lo Zinco
4. Chiudere il rubinetto della sezione 2 da cui altrimenti uscirebbe il gas
5. Attendere che il gas prodotto spinga l'acido nella sezione 3 fermando così la reazione
6. Porre la provetta sul rubinetto ed aprirlo lentamente
7. La provetta si riempirà di idrogeno
8. Mantenendo la provetta "a testa in giù" tra due dita avvicinare un fiammifero acceso all'imboccatura per sentire "l'urlo dell'idrogeno"

Risultato:

La pressione creata dal gas prodotto dalla reazione spinge l'acido a spostarsi verso il compartimento 3 perdendo il contatto con lo zinco ed interrompendo così la reazione. Aprendo il rubinetto si causa la fuoriuscita del gas e quindi il ritorno del liquido a livelli normali, sommergendo lo zinco e riattivando la reazione.

Verifica sperimentale della Legge di Charles

Nel 1787 lo scienziato, matematico ed inventore Jacques Alexandre César Charles formulò una legge sui gas nota come Legge di Charles, detta anche Prima Legge di Gay-Lussac. Questo perchè J. A. C. Charles non riuscì a pubblicare le proprie ricerche sulla formulazione della legge sui gas lasciando così involontariamente il testimone al chimico-fisico Joseph Luis Gay-Lussac, che definì la legge nel 1802. La Legge di Charles afferma che in una trasformazione isobara, ovvero in condizioni di pressione costante, il volume di un gas ideale è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta.

Determinazione della percentuale di ossigeno nell'aria

L'aria che respiriamo è una miscela gassosa composta da vari elementi: l'azoto e l'ossigeno, rispettivamente pari al 78% e al 20,95% in volume, sono i due componenti principali dell'atmosfera. L'azoto è un gas incolore, inodore e inerte, in quanto non partecipa ai processi vitali, a differenza dell'ossigeno, necessario per la respirazione degli esseri viventi. L'ossigeno presente nell'aria è quasi interamente di origine biologica, in quanto viene prodotto dagli organismi autotrofi grazie alla fotosintesi clorofilliana. Il restante 1% è costituito da argon, anidride carbonica, altri gas quali neon, kripton, xenon, idrogeno ed altri ancora. L'elemento dell'aria che più ci riguarda è l'ossigeno che prende posto in uno dei processi fondamentali alla vita, la respirazione.

Durata: 45'

Scopo:

Verificare sperimentalmente la percentuale di ossigeno presente nell'aria.

Teoria:

L'ossigeno presente all'interno del pallone di vetro reagisce con l'alcol etilico durante la combustione secondo la seguente reazione:

C₂H₅OH + 3O₂ + 12N₂ → 2CO₂ +3H₂O + 12N₂

L'ossigeno consumato nella prima parte di reazione lascia uno "spazio vuoto" all'interno del pallone che sarà quindi occupato dalla risalita dell'acqua colorata lungo il tubicino e poi nel pallone. Il volume del liquido risalito sarà quindi equivalente al volume di ossigeno consumato e facilmente misurabile mediante un cilindro graduato.

Materiale:

• Cotone 
• Alcol etilico 
• Acqua colorata

Strumenti:

• Pallone di vetro da 500 ml 
• Cilindro graduato 
• Beuta da 250 ml 
• Pinza di Mohr 
• Tappi di gomma forati 
• Tubicini di vetro 
• Raccordo in gomma 
• Fiammiferi

Procedimento:

1. Determinare il volume del pallone misurando con il cilindro graduato la quantità d’acqua che può contenere. 
2. Asciugare perfettamente l’interno del pallone (se possibile con un getto d’aria compressa). 
3. Montare il pallone sulla beuta contenente l'acqua colorata utilizzando due tappi di gomma forati connessi da due tubicini di vetro uniti nel mezzo dal tubicino in gomma dove andrà posizionata la pinza di Mohr 
4. Togliere il pallone per posizionare un batuffolo di cotone imbevuto d’alcol all'estremità del tubicino di vetro. 
5. Riposizionare il pallone e chiudere la pinza di Mohr 
6. Accendere il cotone imbevuto di alcol con un fiammifero e posizionare immediatamente in modo ermetico il pallone di vetro 
7. Attendere lo spegnimento della fiamma 
8. Aprire la pinza di Mohr permettendo la risalita dell'acqua colorata lungo il tubo e nel pallone 
9. Quando il liquido non salirà più dalla beuta al pallone richiudere la pinza 
10. Smontare con cautela il pallone senza versare il liquido 
11. Determinare il volume di acqua colorata salita nel pallone utilizzando il cilindro graduato 
12. Ripetere la prova almeno una volta per avere una maggiore precisione

Risultato:

Il volume di liquido colorato che salirà per differenza di pressione all'interno del pallone sarà equivalente al volume di ossigeno consumato durante la combustione e quindi dell'ossigeno totale presente nell'aria inizialmente contenuta nel pallone. Si può costruire una tabella per confrontare le diverse prove effettuate e la differenza di volume misurata, calcolando così la percentuale di ossigeno nell'aria.

Verifica sperimentale della legge di Boyle

Quando gonfiamo i pneumatici di una bicicletta, o un palloncino, stiamo costringendo un gas (l'aria) a diminuire il suo volume, e di conseguenza la pressione del gas aumenta. Questo fenomeno è spiegato dalla legge di Boyle, che in questa esperienza andiamo a verificare.

Versare l'anidride carbonica

Immaginate due bicchieri vuoti: in uno viene messa una candela accesa, viene fatto il gesto di versare un invisibile contenuto dal bicchiere vuoto a quello con la candela, e... la candela si spegne!
Questo che sembra un trucco da prestigiatore può essere un interessante esperimento per capire gli effetti delle diverse densità dei gas: in un recipiente verrà prodotta anidride carbonica facendo reagire aceto e bicarbonato; l'anidride carbonica, essendo più densa dell'aria, verrà versata in un altro recipiente, spegnendo la candela in esso contenuta.