Come calcolare la massa molare dell'aria

Tra gli argomenti che adorano gli studenti delle scuole superiore o meglio degli istituti tecnici rientrano sicuramente quelli della fisica. La comprensione delle sue nozioni principali richiede una certa predisposizione verso i concetti ed una buona volontà. La fisica rappresenta una materia estremamente affascinante che ci spiega in che modo si comportano diversi elementi presenti in natura, sia allo stato solido che liquido e aeriforme. Grazie ad una serie di formule matematiche si possono determinare diversi parametri relativi alle sostanze chimiche. Uno di questi è la massa molare, che solitamente si applica a tutti e tre gli stati della amteria, ossia solido, liquido e gassoso. Per massa molare si intende la quantità, espressa in grammi, della sostanza presa in esame nella sua forma molecolare (molare). In questo caso si stabilisce che in tale quantità vengono contenuti 6,0221,367 ^23 (numero di Avogadro) atomi della sostanza presa in esame. Generalmente, la massa molecolare di una sostanza risulta correlata al peso molecolare, il quale si indica con la sigla PM. Quest'ultimo altro non è che la somma del peso di protoni e neutroni presenti nel nucleo dell'atomo. Gli elettroni vengono esclusi dal peso molecolare soltanto perché si trovano all'esterno. Tenendo conto di queste nozioni di base, possiamo affermare che la massa molare dell'aria dipende dalla somma delle cosiddette frazioni volumetriche di ciascun elemento responsabile della sua composizione. Qui di seguito ci soffermeremo in particolar modo su come calcolare la massa molare dell'aria. Pronti a rimanere attenti alla spiegazione, risultando abbastanza complessa da assimilare? Che la lettura abbia inizio.

• Conoscenze base di fisica
• Manuale di fisica
• DImestichezza con i calcoli matematici

I gas che vengono definiti criogenici vanno a comporre l'aria e sono responsabili del gelo. Per calcolare la massa molare dell'aria occorre anzitutto determinare quali sono gli elementi di natura gassosa contenuti nell'aria. Subito dopo bisogna ricavare le loro relative frazioni volumetriche. Tra i vari gas troviamo prima di tutto l'azoto, il quale occupa una percentuale del 78,09% nell'aria. Conoscendo questo valore, si deduce che la frazione volumetrica dell'azoto è pari a 0,7809. La stessa regola si applica all'ossigeno, la cui percentuale è del 20,95%. Si avrà dunque una frazione volumetrica di 0,2095. Altri due elementi allo stato aeriforme che compongono l'aria sono l'argon e l'anidride carbonica. Il primo occupa un valore pari allo 0,933%, mentre il secondo è presente soltanto allo 0,03%.

I gas citati in precedenza sono quelli presenti in maggior quantità. Tuttavia, l'aria contiene altri elementi gassosi in quantità molto piccole. Questi ultimi non sono però in grado di influenzare il valore della massa molare. Le loro frazioni volumetriche sono infinitesimali, difatti si ha uno 0,000018 per il neon, uno 0.000005 per l'elio e uno 0.000001 per il cripton. Infine risultano presenti anche l'idrogeno e lo xenon, rispettivamente con una frazione dello 0.0000005 e una dello 0,09 X 10 ^-6. La percentuale dell'idrogeno ha un valore bassissimo perché la maggior parte di questo elemento va a combinarsi con l'ossigeno. Da questa mescolanza, come ben sappiamo, ha origine l'acqua. Si tratta però di un elemento allo stato liquido composto da due gas.

Quando si va a calcolare la massa molare dell'aria, occorre dapprima fare una precisazione sulla cosiddetta aria secca. Questa, infatti, sembra avere una densità superiore rispetto all'aria umida a causa del suo peso molecolare. In particolare l'azoto e l'ossigeno presenti nell'aria sono nella loro forma molecolare. Per tale ragione si ha la presenza di due atomi legati tra loro. In questo caso occorre raddoppiare i loro pesi atomici. Si avranno, di conseguenza, una molecola con PM di 28,014 e una con PM di 32.

Calcolando la massa molare in riferimento agli altri gas, si otterranno i seguenti valori. Per l'azoto 28,014 * 0,7809 = 21,876, per l'ossigeno: 32 * 0,2095 = 6,704, per l'argon: 39.94 * 0,00933 = 0,3726 e per l'anidride carbonica: 44.01 * 0,0003 = 0,013. In più si aggiungeranno il neon con 20.18 X 0,000018 = 3,6324 x 10 ^-4, l'elio con 4.00 * 0,000005 = 2.0 X 10 ^-5 e il cripton con 83,8 X 0,000001 = 8.38 x 10 ^-5. Infine si avranno anche idrogeno (2,02 * 1,01 = 0,0000005 10 ^-6) e xenon (131,29 * 0,09 * 10 ^-6 = 1,18 X 10 ^-5).

La fase finale per calcolare la massa molare dell'aria comporta la somma di tutte le frazioni di peso molecolare. In questo modo si otterrà un valore corrispondente a 28,9656. Questo risultato indicherà dunque la misura molecolare dell'aria che contiene un numero di Avogadro di molecole di gas. I parametri di cui si tiene conto vengono calcolati dando per scontato che non ci si trovi a lavorare in condizioni definite standard di atmosfera e temperatura (20° C). Ciò significa che si andrebbero ad occupare all'incirca 22,4 litri o 22.4 / 28,3168 litro / piede cubico, dunque 0,7910 metri cubi totali.

• Per eseguire i calcoli in maniera più veloce, anotare su un foglio i valori relativi al numero di Avogadro e tutte i parametri riguardanti i gas che compongono l'aria.
• Consultare il manuale di fisica per chiarire eventuali dubbi in merito al calcolo.

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