A seconda del tuo lavoro o di altri aspetti del tuo stile di vita, potresti lavorare occasionalmente o regolarmente con bombole pressurizzate contenenti uno o più tipi di gas. "Gas" in questo contesto non è l'abbreviazione di "benzina", ma si riferisce invece a qualsiasi sostanza allo stato gassoso, al contrario di quello solido o liquido. Un esempio popolare è l'idrocarburo propano.
Occasionalmente, potrebbe essere necessario trovare il peso del gas all'interno della bombola. Un modo rozzo per farlo sarebbe pesare la bombola contenente il gas in questione, scaricare tutto il gas e pesare nuovamente la bombola; la differenza di valori sarebbe la massa del gas, supponendo che l'aria non possa fluire nel contenitore e aggiungere massa che annullerebbe il calcolo. Questo, tuttavia, sarebbe un ovvio spreco di risorse chimiche.
C'è un modo migliore? In effetti, e per giunta ti insegna un po' di fisica e chimica.
La bombola del gas standard
Lo scopo di immagazzinare gas compressi in bombole e altri contenitori è semplice: consente di trasportare e immagazzinare più sostanze in uno spazio fisico più piccolo volume di quanto sarebbe necessario se il gas in questione potesse distribuirsi naturalmente, così come le molecole di gas e le altre particelle che compongono l'aria nell'atmosfera circostante voi.
Questo, sfortunatamente, comporta un compromesso: la compressione dei gas (ovvero la riduzione del loro volume) comporta un aumento proporzionale della pressione, assumendo che tutte le altre variabili, come la temperatura, siano mantenute costante. Questo viene approfondito in una sezione successiva.
Le bombole di gas hanno quindi pressioni interne superiori alla pressione atmosferica, che è di 14,7 libbre per pollice quadrato (psi) sulla superficie terrestre. Le sostanze che contengono devono avere punti di ebollizione inferiori a 20 gradi Celsius (68 gradi Fahrenheit) per essere considerati gas, altrimenti rimarrebbero solidi al di sopra della "temperatura ambiente" o così.
La legge del gas ideale
La legge dei gas perfetti afferma che:
PV = nRT
dove P è la pressione, V è il volume, n è il numero di moli di gas presenti, R è una costante e T è la temperatura in Kelvin (K). In una situazione in cui T e n sono costanti ma P e V può cambiare, ad esempio quando si apre una valvola in una bombola contenente gas, ciò significa che il prodotto di P e V è una costante durante tutto il processo. Nei simboli:
P1V1 = P2V2
Calcolo del volume di gas compresso
Supponiamo che tu abbia una bombola di azoto conservata a temperatura normale (20 C) e pressione (14,7 psi) etichettata con un volume di 29,5 L e una pressione interna di 2.200 psi. Qual è il volume "naturale" del gas azoto?
Se il gas venisse rilasciato, si disperderebbe nell'ambiente e la sua pressione diventerebbe uguale a quella atmosferica. Puoi quindi usare la relazione derivata sopra dove P1 = 2.200 psi, V1 = 29,5 L e P2 = 14,7 psi per trovare V2:
(2.200)(29,5)/(14,7) = V2 = 4.415 L
Calcolo della massa del gas: è necessaria la massa della bombola?
Per calcolare la massa di questo volume di gas, è necessario conoscerne la densità in condizioni normali. Per queste informazioni consultare una pagina come quella delle risorse.
Azoto (N2) ha una massa molecolare di 28,0 g/mol e una densità di 1,17 kg/m3 = 1,17 g/L a 20 C. Poiché la densità è la massa divisa per il volume, la massa è uguale al volume per la densità; in questo caso:
(4.415 l) (1,17 g/l) = 5.165 g = 5.165 kg
- Si tratta di circa 11,5 libbre di azoto (1 kg = 2,204 libbre).
E, come puoi vedere, la risposta alla domanda sulla massa del cilindro è no! Tutto ciò di cui hai bisogno è una conoscenza pratica della chimica e un po' di perseveranza.