Equilibri gassosi in acquario

Scritto da RiccardoMazzei il . Postato in Chimica dell'acquario

Gas e soluzioni

Un gas, lo sappiamo, tende ad occupare tutto il volume disponibile.
Ciò è comprensibile secondo la moderna rappresentazione dello stato gassoso, in cui le molecole rimbalzano come palle da biliardo, sulle pareti del recipiente e tra di loro.
Se il recipiente è a tenuta stagna e le pareti sono perfettamente rigide, il gas effettivamente occupa tutto il volume racchiuso dalla forma del contenitore.

Ora... cosa succede se si introduce, oltre al gas, una certa quantità di acqua?
Dobbiamo fare un piccolo sforzo di immaginazione e condurre un esperimento mentale.

Immaginiamo dunque di avere un recipiente ermeticamente chiuso, che contenga dell’acqua perfettamente pura, e che il volume restante sia occupato da un gas, anch’esso puro.
Un gas qualsiasi?...
Per i nostri scopi, in realtà, questo gas deve essere scelto tra quelli che a contatto con l’acqua non reagiscono chimicamente (o lo facciano in modo trascurabile). Escludiamo, ad esempio, gas come HCl (l’acido cloridrico!...Eh sì, in purezza è proprio un gas.), oppure NH3 (ammoniaca, anch’essa un gas).

bottiglia

Per il nostro esperimento vanno bene, ad esempio, l’azoto e l’ossigeno, che non reagiscono con l’acqua pura; vanno abbastanza bene anche l’anidride carbonica e il cloro, sebbene reagiscano un pochino.

Dopo aver riempito il contenitore, lasciamo il tutto “riposare” per un po’. Cioè lasciamo il sistema libero di evolvere: molecole di gas che urtano in tutte le direzioni, quelle di liquido che scivolano una sull’altra e si urtano a loro volta... sfido chiunque a trovare una qualsiasi parte del sistema che stia "riposando" veramente!

Cosa può capitare?
Innanzitutto, supponiamo che il nostro recipiente, assieme all’acqua e al gas contenuti, si trovino alla stessa temperatura, già all’inizio dell’esperimento.
Questo ci semplifica molto le cose, consentendoci di concentrarci sui fenomeni che ci interessano davvero, che sono essenzialmente due:

  • parte dell’acqua abbandona la fase liquida, librandosi nel volume soprastante in forma di vapore acqueo;

  • parte del gas, inizialmente introdotto, abbandona la fase gassosa per sciogliersi nell’acqua.

bottiglia scambi

Si innescano subito anche i due fenomeni inversi:

  • parte del vapore acqueo abbandona la fase gassosa e ritorna in fase liquida

  • parte del gas disciolto in acqua abbandona la soluzione, per ritornare a librarsi nello spazio (si fa per dire, visto che è in un recipiente a chiusura ermetica!)

Queste due coppie di fenomeni avvengono simultaneamente, con velocità diverse.
Inizialmente predominano i fenomeni “diretti”...

acqua vapore acqueo

gas scioglimento in acqua

...ma a poco a poco i fenomeni inversi diventano sempre più importanti.
All’equilibrio, i fenomeni diretti sono pari a quelli inversi, in quanto a velocità, ovvero probabilità.

L’equilibrio non è uno stato di quiete, in cui non avviene nulla; anzi, è una situazione molto trafficata!
Oltre alle molecole del nostro gas, che sfrecciando nel vuoto del recipiente si urtano tra loro e urtano le pareti, ora ci sono anche le molecole di acqua (in vapore) che fanno altrettanto.
Continuamente, una gran quantità di molecole (sia di acqua che di gas) si tuffano in acqua, mentre altrettante ne emergono come missili!

Nel capitolo seguente ci concentreremo su quello che avviene alle sole molecole del gas: l’equilibrio dell’acqua con il suo vapore; per quanto possa essere un fenomeno molto simile, in realtà segue leggi diverse che non approfondiamo.