Volume Molare

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Ogni sostanza è diversa dalle altre e possiede proprietà chimico-fisiche proprie. Una di queste proprietè è il Volume Molare del quale discuteremo in questo articolo. Andremo a definire cosa sia il volume molare e a capire come ci aiuta ad analizzare il mondo microscopico.

Per vedere l’andamento del Volume Molare degli elementi rimando ad un articolo del sito “periodictable.com”

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LA DEFINIZIONE

Partiamo subito con il definire cosa sia il Volume Molare:

Il Volume Molare di una sostanza è il volume espresso in m³ occupato da una mole di sostanza.

V_m = V \ mol

Se vogliamo scomporre questa definizione possiamo dire che il Volume Molare è il volume occupato da 6,022 10²³ particelle, cioè una mole di sostanza.

Tutto sommato una definizione molto semplice e che rispecchia molto il nome datogli. Il Sistema Internazionale vuole che questa proprietà venga indicata in m³\mol ma sicuramente è scomodo usare questa combinazione di unità per indicare il Volume Molare. Per la maggior parte delle sostanze usare questa combinazione porta ad avere un valore molto piccolo di volume molare, per esempio per il Carbonio si ottiene 0,00000529 m³\mol, decisamente molto scomodo da gestire. Un’altra combinazione più utile e più pratica potrebbe essere quella che sfrutta il volume indicato in Litri. In particolare è più utile usare come unità di misura L\mol oppure mL\mol.

Esiste una relazione stretta tra la Densità di una sostanza e il suo Volume Molare. è possibile passare agilmente da una all’altra usando la formula:

V_m = M.M. \ ρ

dove M.M. è la massa molecolare della sostanza e ρ è la sua densità. Le stesse variazioni a cui è soggetta la densità le si riscontra anche per il Volume Molare ma ne parleremo alla fine dell’articolo.

Ovviamente non è mai così semplice come pare e le complicazioni arrivano sempre. è necessario fare una distinzione netta tra il volume molare delle fasi condensate (solido e liquido) e quella gassosa. Solidi e liquidi hanno un volume proprio il quale difficilmente subisce variazioni se cambia la pressione e la temperatura; per un gas il discorso è diverso e sappiamo che al variare della temperatura e della pressione varia considerevolmente anche il volume e di conseguenza varia il valore del Volume Molare.

PARLIAMO DI GAS

Partiamo subito analizzando i gas. L’esperienza pratica ci permette di dire che i gas non hanno nè volume nè forma propria e quindi un gas inserito dentro un contenitore andrà ad occupare tutto il volume a sua disposizione. Se il contenitore è a pareti rigide possiamo farci poco e il volume che il gas potrà sperimentare all’interno del contenitore sarà sempre lo stesso anche al variare della temperatura e della pressione. Se invece il contenitore è a pareti mobili la faccenda si fa più interessante e riusciamo a fare un paio di cose.

Le condizioni dell’ambiente determinano i parametri di un dato gas e questo lo sappiamo dalla Teoria dei Gas. La formula che ci viene in aiuto per chiarire il dilemma dei diversi volumi è l’equazione di stato dei gas perfetti:

P V = n R T

Questa elegante formula ci permette di determinare le funzioni di stato di un gas (temperatura, pressione e volume) se conosciamo il valore di almeno 2 delle grandezze elencate e il numero di moli totale. Una variazione di pressione e temperatura, a parità di moli, determinano un cambiamento nel volume del gas.

è quindi facilmente intuibile che le combinazione di T e P per un gas sono infinite ed è quindi lecito dire che un gas può avere infiniti valori di Volume Molare, per evitare tale inconveniente si è deciso a livello internazionale che quando parliamo di Volume Molare di un gas stiamo implicitamente considerando una T = 0 °C e una P = 1 bar, chiamate anche condizioni standard.

Usando l’equazione dei gas perfetti si arriva ad avere un volume pari a 22,414 L se consideriamo 1 mole di gas.

Domanda

Sarebbe possibile parlare di Volume Molare di una sostanza in altre fasi della materia oltre a quelle viste?

MOLI UGUALI? STESSO VOLUME

Abbiamo trovato che una mole di Ar nelle condizioni standard occupa un volume di 22,414 L e quindi possiamo anche dire che il Volume Molare è pari appunto a 22,414 L\mol. Tale risultato è valido solo per l’Argon oppure è possibile generalizzarlo a tutti i gas?

La risposta a questa domanda sta nella Legge di Avogadro. Dopo vari esperimenti con i gas, Avogadro arrivò a constatare che tutti i gas da lui studiati occupavano lo stesso volume a parità di numero di particelle. Non è la natura chimica del gas a determinare il volume molare ma è proprio il fatto di essere un gas che ne determina il valore.

Per esempio, se si hanno 2 palloncini, uno riempito di O₂ e l’altro riempito di He e manteniamo identiche le condizioni ambientali e il numero di moli si osserva che tutti e 2 i palloncini hanno lo stesso volume.

Possiamo capire tale risultato in 2 modi:

• Macroscopico = L’equazione dei gas perfetti, la quale si riferisce a campioni misurabili di gas, non sono presenti termini che facciano riferimento alla natura del gas. è il numero di moli quello che importa e non la natura chimica di queste moli.
• Microscopico = Ovviamente la molecola di O₂ è molto più voluminosa di quella di He ma siccome stiamo trattando dei gas perfetti tale variazione di volume è totalmente insignificante. Le distanze tra le varie particelle di gas in movimento è talmente grande rispetto alle lunghezze dei singoli atomi, e quindi ai volumi, che non si riesce a percepire la differenza di volume delle varie particelle. Tale differenza la si nota quando il gas viene liquefatto oppure compresso molto.

LE LIMITAZIONI

Abbiamo ora capito come viene definito il V_m di un gas e perchè gas diversi hanno V_m uguali, ci resta ora da capire il perchè tale valore varia con T e P e quali sono le limitazioni della Legge di Avogadro.

Cominciamo con il dire che i gas sono soggetti alle variazioni di Pressione e Temperatura perchè le particelle che compongono il gas possono mutare in maniera rapida e significativa le proprietà al variare di T e P. Giusto per fare un esempio, se aumentiamo la T le particelle avranno un’energia cinetica maggiore la quale si trasforma in pressione, tale pressione aumenterà poi il volume del contenitore.

Le 3 leggi dei gas (Isocora, Isobara e Isoterma) ci danno un punto di partenza per capire come si modifica un gas al variare delle 3 funzioni di stato di un gas.

La legge di Avogadro ha però delle limitazioni quando si passa ad applicare tale legge alla realtà. Il modello di Avogadro è un’ottima approssimazione della realtà ma è sicuramente troppo ottimistico pretendere di descrivere tutti i gas con una semplice frase. La legge di Avogadro è rigorosamente valida per i gas ideali ma si scontra poi con la realtà; sappiamo che il mondo che ci circonda è composto da gas reali e che tali gas hanno particolari caratteristiche difficilmente descrivibili da una singola legge. Per questo motivo se nella realtà prendiamo una mole di CO₂ nelle condizioni standard e ne misuriamo il volume otteniamo un valore leggermente diverso da 22,414 L. Questo è dovuto a forze di attrazione e repulsione che le vari particelle sentono con le vicine e fa discostare anche se di poco il valore da quello atteso.

Ovviamente se non diversamente espresso useremo sempre dire che il V_m di un gas nelle condizioni standard è di 22,414 L perchè è comodo ed è anche un’ottima approssimazione. Ricordiamoci che i gas che generalmente incontreremo sono molto simili ai gas perfetti.

Tale legge però perde di significato se ci troviamo a Pressioni altissime o temperature prossime a quelle di condensazione.

SOLIDI E LIQUIDI

Parliamo ora del Volume Molare per le 2 fasi condensate.

Per quanto riguarda la fase solida e quella liquida il discorso è molto più semplice da gestire data la natura intrinseca di questi 2 stati della materia. Prendiamo per esempio un liquido come l’acqua e prendiamone esattamente 6,022 10²³ molecole così da avere una mole. Per determinare il volume di tali molecole basta versare il liquido in un contenitore tarato e annotarsi il volume. Fatto questo abbiamo ottenuto perfettamente il valore del Volume Molare.

Per i solidi il ragionamento da fare è lo stesso, prelevo una mole esatta di composto e tramite un semplice esperimento di immersione riesco a determinare il volume del solido e quindi il suo V_m.

Per prelevare una mole di sostanza devo sapere la sua massa molecolare (M.M.) e avere una bilancia e il gioco è fatto.

Occupiamoci ora dell’influenza che la Temperatura e la Pressione possono avere sui solidi.

Sarebbe comunque giusto indicare la Temperatura e la Pressione alla quale viene determinato il V_m così da ottenere un valore il più accurato possibile. Generalmente i valori riportati sono da riferirti a 1 bar e 25 °C.

Per quanto riguarda i solidi, e solo in parte i liquidi, è possibile che un dato composto possa esistere in più forme, queste forme diverse sono il risultato di interazioni atomiche diverse ed è possibile che si osservino V_m diversi. Per esempio il Carbonio (C) può esistere sia come Grafite che come Diamante, è necessario quindi specificare a quelle forma ci stiamo riferendo così da non mescolare i dati.

Anche diversi composti nello stato solido possono avere forme diverse. Il ghiaccio a determinate Temperature e Pressioni può esistere in più forme, si parla di forme isomorfe della stessa sostanza. Ogni isomorfo può avere valori di V_m diversi.

COSA SUCCEDE NEL PICCOLO

Cerchiamo ora di capire perchè a livello microscopico solidi e liquidi non subiscono un cambiamento apprezzabile dopo variazioni di Temperatura e Pressioni.

• In un solido gli atomi\molecole sono disposti in maniera tale da occupare già il minore volume possibile e le particelle sono ancorate una all’altra. Variando anche di tanto la pressione queste particelle non modificano la loro posizione in maniera apprezzabile e quindi diciamo che i solidi non risentono dell’effetto della pressione. Ovviamente se sottopongo a una pressione di 10000 atm un solido un effetto l’ottengo ma stiamo parlando di pressioni immense. La Temperatura fa variare le vibrazioni delle particelle, più un corpo è caldo e più le particelle vibrano. Una vibrazione eccessiva fa aumentare leggermente il volume di un solido.
• Nei liquidi la situazione è analoga ma più amplificata data la natura più libera delle particelle che costituiscono un liquido. Generalmente un aumento di temperatura uguale per un solido e per un liquido fa aumentare di più il V_m del liquido.

Ottenendo il valore di V_m per un solido o un liquido è possibile poi stimare in maniera approssimata il volume occupato da ciascuna particella. Sappiamo che il V_m si riferisce a 6,022 10²³ particelle, se dividiamo V_m per il numero di Avogadro otteniamo un valore di volume che potrebbe essere una buona stima del volume degli atomi\molecole che compongono il campione. Usando questo modo per determinare il volume delle particelle si presuppone che in un solido gli atomi occupino tutto lo spazio senza lasciare spazi vuoti, ovviamente nella realtà non è così. Il valore che si ottiene è comunque confrontabile con i valori reali.

Volume particella = V_m \ 6,022 10²³

Il volume molare può essere utile in certe situazione ed è necessario saperne gestire i calcoli, di seguito sono proposti una serie di esercizi.

Esercizi: SPIEGATI – NON SPIEGATI

Per approfondire quest’ultimo aspetto rimando all’articolo dove viene trattato in maniera più dettagliata l’interpretazione dei raggi atomi ottenuti dai volumi molari.

Risposta

In teoria sì potrebbe ma in pratica non esiste la necessità di determinarlo, per esempio il Volume Molare di He quando è nello stato di plasma non è un dato che ci serve.