VOLUME MOLARE: CONCETTO E FORMULA, CALCOLO ED ESEMPI - CHIMICA - 2026

Il volume molare è una proprietà intensiva che indica quanto spazio occupa una mole di una determinata sostanza o composto. È rappresentato dal simbolo V _m , ed è espresso in unità di dm ³ / mol per i gas e cm ³ / mol per liquidi e solidi, poiché questi ultimi sono più confinati dalle loro maggiori forze intermolecolari.

Questa proprietà è ricorrente quando si studiano sistemi termodinamici che coinvolgono i gas; poiché, per liquidi e solidi, le equazioni per determinare V _m diventano più complicate e imprecise. Pertanto, per quanto riguarda i corsi base, il volume molare è sempre associato alla teoria dei gas ideali.

Il volume di una molecola di etilene è limitato superficialmente dall'ellissoide verde e dal numero di Avogadro moltiplicato per questa quantità. Fonte: Gabriel Bolívar.

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 V _m . 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.

Concetto e formula

Per i gas

La formula immediata per calcolare il volume molare di una specie è:

V _m = V / n

Dove V è il volume che occupa e n è la quantità della specie in moli. Il problema è che V _m dipende dalla pressione e dalla temperatura che subiscono le molecole e noi vogliamo un'espressione matematica che tenga conto di queste variabili.

L'etilene nell'immagine, H ₂ C = CH ₂ , ha un volume molecolare associato limitato da un ellissoide verde. Questo H ₂ C = CH ₂ può ruotare in più modi, che è come se il detto ellissoide fosse spostato nello spazio per visualizzare quanto volume occuperebbe (ovviamente trascurabile).

Tuttavia, se il volume di tale ellissoide verde viene moltiplicato per N _A , il numero di Avogadro, allora noi mol 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 a una pressione più alta, si contrarranno e ridurranno il loro volume.

Pertanto, V _m dipende da P e T. L'etilene ha una geometria piana, quindi non si può pensare che la sua V _m sia esattamente ed esattamente uguale a quella del metano, CH ₄ , di geometria tetraedrica e capace di essere rappresentato con una sfera e non un ellissoide.

Per liquidi e solidi

Anche le molecole o gli atomi di liquidi e solidi hanno una propria V _m , che può essere approssimativamente correlata alla loro densità:

V _m = m / (dn)

La temperatura influisce sul volume molare per liquidi e solidi più della pressione, a condizione che quest'ultima non cambi 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 V _m .

Tuttavia, in condizioni normali si osserva che le densità per diversi liquidi o solidi non variano troppo nelle loro grandezze; lo stesso accade con i suoi volumi molari. Notare che più sono densi, minore sarà V _m .

Per quanto riguarda i solidi, il loro volume molare dipende anche dalle loro strutture cristalline (il volume della loro cella unitaria).

Come calcolare il volume molare?

A differenza dei liquidi e dei solidi, per i gas ideali esiste un'equazione che ci permette di calcolare V _m in funzione di P e T e delle loro variazioni; questo è quello dei gas ideali:

P = nRT / V

Che viene adattato per esprimere V / n:

V / n = RT / P

V _m = RT / P

Se usiamo la costante del gas R = 0,082 L · atm · K ^-1 · mol ^-1 , allora le temperature dovrebbero essere espresse in kelvin (K) e le pressioni in atmosfere. Si noti che qui si osserva perché V _m 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 a quelli teorici.

Esempi di calcolo del volume molare

Esempio 1

Esiste un gas Y la cui densità è 8,5 · 10 ^-4 g / cm ³ . Se hai 16 grammi equivalenti a 0,92 moli di Y, trova 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 / cm ³ )

= 18.823,52 cm ³ o 18,82 L

Quindi V _m viene calcolato direttamente dividendo questo volume per il numero di moli dato:

V _m = 18,82 L / 0,92 mol

= 20,45 L / mol o L mol ^-1 o dm ³ mol ^-1

Esercizio 2

Nell'esempio precedente di Y, non è stato specificato in nessun momento quale fosse la temperatura subita dalle particelle di quel gas. Supponendo che Y sia stato lavorato a pressione atmosferica, calcolare la temperatura richiesta per comprimerlo al volume molare determinato.

La dichiarazione dell'esercizio è più lunga della sua risoluzione. Usiamo l'equazione:

V _m = RT / P

Ma risolviamo per T, e sapendo che la pressione atmosferica è di 1 atm, risolviamo:

T = V _m P / 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.

Esercizio 3

Seguendo i risultati precedenti, determinare V _m a 0 ° C, 25 ° C e zero assoluto a 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:

V _m = 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)

Il valore di 22,4 litri è stato menzionato all'inizio. Notare come V _m 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; questo significa che è stato trasformato in un liquido e l'equazione precedente non è più valida.

D'altra parte, l'impossibilità di calcolare V _m allo zero assoluto obbedisce alla terza legge della termodinamica, che dice che è impossibile raffreddare qualsiasi sostanza alla temperatura dello zero assoluto.

Riferimenti

1. Ira N. Levine. (2014). Principi di Fisicochimica. Sesta edizione. Mc Graw Hill.
2. Glasstone. (1970). Trattato di chimica fisica. Seconda edizione. Aguilar.
3. Wikipedia. (2019). Volume molare. Estratto da: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (08 agosto 2019). Definizione del volume molare in chimica. Estratto da: thoughtco.com
5. BYJU'S. (2019). Formula del volume molare. Estratto da: byjus.com
6. González Monica. (28 ottobre 2010). Volume molare. Estratto da: quimica.laguia2000.com