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Sfuggenti e misteriosi, utilissimi e a volte pericolosi

Dai gas dipende la nostra vita. I gas dell'atmosfera irrompono nei polmoni ogni volta che inspiriamo e gassosi sono anche i prodotti della respirazione. Anche se non ce ne rendiamo conto, noi viviamo letteralmente immersi nell'atmosfera e solo in alcune occasioni ci accorgiamo della forza che l'aria può esercitare. Inoltre, tutti i gas dell'atmosfera sono incolori, e se non c'è inquinamento l'aria è perfettamente trasparente. I gas sono anche difficili da trattenere, come sappiamo bene quando si rompe la valvola della gomma della bicicletta. Il fatto che l'aria, e con essa quasi tutti gli altri gas, sia trasparente e sfuggente ha reso il suo studio piuttosto difficile, e solo in epoca moderna si sono scoperte le leggi fondamentali dei gas

Con una pompa da bicicletta

L'aria è costituita da una miscela di gas diversi: i principali sono l'ossigeno e l'azoto, seguiti in percentuale da un gas particolare chiamato argo. Il nome di questo gas deriva da una parola greca che significa "pigro", perché l'argo è quasi incapace di reagire con altre sostanze. Ma nell'aria si trovano in piccola percentuale altri gas, molto più importanti per noi umani, e per tutta la vita sulla Terra: sono l'anidride carbonica e l'acqua. L'anidride carbonica è un gas vero e proprio, mentre l'acqua è presente nell'aria sotto forma di vapore.

Quando si usa una pompa per la bicicletta, man mano che si gonfia la gomma con l'aria è necessario esercitare sempre più forza per fare arrivare il pistone fino in fondo: più aria è presente nella gomma, maggiore è la resistenza che viene esercitata contro il movimento in avanti del pistone. A un certo punto la situazione diventa simile a quando si prova a spingere il pistone dopo aver chiuso con un dito il foro d'uscita: non è assolutamente più possibile fare arrivare il pistone a fondo corsa. Questa forte resistenza è dovuta al fatto che lo spostamento del pistone fa diminuire il volume occupato dall'aria imprigionata nella pompa. La diminuzione del volume porta a un aumento della pressione all'interno della pompa e contro il pistone. La pressione non è altro che la forza esercitata su una superficie, e noi sentiamo una forza sempre maggiore che ostacola il movimento mentre cerchiamo di abbassare il pistone.

Il rapporto fra il volume occupato da un gas e la sua pressione è stato studiato dal chimico irlandese Robert Boyle, che nel 1662 scoprì la prima importante legge dei gas, detta appunto legge di Boyle: data una certa quantità di gas, ermeticamente chiusa in un recipiente munito di una parete mobile e a temperatura costante, la pressione aumenta quanto più diminuisce il volume e, viceversa, la pressione diminuisce quanto più aumenta il volume. L'espressione matematica della legge di Boyle afferma che, data una certa quantità di gas, il prodotto del volume (V) per la pressione (P) dà un valore costante: P×V = cost. Un aspetto importante della legge di Boyle è che essa si applica a tutti i gas (compreso il pigro argo), per quanto differenti essi siano.

Volando in mongolfiera

Alla fine del del Settecento divenne di moda volare in mongolfiera (dirigibili, areostati, mongolfiere). Ancora oggi si può assistere al bellissimo spettacolo di mongolfiere variopinte, alte come palazzi di sei piani, che si levano in volo. Il principio fisico che permette alle mongolfiere di alzarsi dal suolo e di navigare nell'aria è lo stesso che fa galleggiare sull'acqua le barche e le navi; ma come è possibile che una mongolfiera del peso di tre tonnellate galleggi nell'aria? La risposta ci è data da un'altra legge dei gas.

Agli inizi dell'Ottocento due scienziati francesi, indipendentemente l'uno dall'altro, scoprirono che quando si scalda un gas mantenendo la sua pressione costante, il volume si espande in modo direttamente proporzionale rispetto alla temperatura. Jacques Charles e Joseph-Louis Gay-Lussac, i due scienziati, erano interessati proprio alle leggi che governano la navigazione dei palloni ad aria calda, e trovarono così la spiegazione dell'ascesa delle mongolfiere. L'aumento di temperatura di un gas produce un aumento del suo volume; ciò vuol dire che, essendo la quantità di gas sempre la stessa, diminuisce la sua densità. Tutti i gas obbediscono alla legge di Charles e Gay-Lussac. Nel caso delle mongolfiere moderne, al di sotto del grande pallone colorato vi è un bruciatore che utilizza i gas propano o butano; quando si accende il bruciatore l'aria calda più leggera entra nel pallone, prende il posto dell'aria fredda come quella esterna al pallone e che è dunque più pesante, e la mongolfiera sale. In ogni caso la mongolfiera salirà o scenderà in funzione della temperatura dell'aria all'interno del pallone.

Gas e vapori in una pentola a pressione

Gay-Lussac era un chimico molto interessato alle leggi dei gas non solo per via delle mongolfiere, ma anche perché all'epoca in cui svolgeva le sue ricerche le sostanze gassose erano al centro dell'attenzione degli scienziati. Egli scoprì un'altra legge, simile alla precedente, secondo la quale la pressione dei gas è direttamente proporzionale alla temperatura quando è il volume a rimanere costante. In tutte le case c'è un apparecchio che può servire a capire questa seconda legge di Gay-Lussac: si tratta della pentola a pressione.

Una volta messa la pentola sul fornello acceso la temperatura interna della pentola aumenta, e che vi sia anche un forte aumento di pressione è segnalato dalla valvola della pentola stessa. Quando la pressione è salita oltre un certo limite la valvola si apre ‒ spesso con un fischio di avvertimento ‒ e fa sfuggire i gas e i vapori in eccesso. A questo punto la cottura viene fatta proseguire abbassando la fiamma, e mantenendo la temperatura più o meno costante.

Questa proprietà dei gas ha anche applicazioni meno casalinghe della cottura veloce. Le sostanze esplosive collocate in una bomba sono in grado di portare morte e distruzione perché la loro reazione, rapidissima, crea una grande quantità di gas ad altissima temperatura: la pressione interna sale enormemente e la bomba esplode perché le pareti del contenitore non sono più in grado di resistere.

Avogadro e le molecole dei gas

All'inizio dell'Ottocento le leggi di Boyle, Charles e Gay-Lussac avevano precisato molti aspetti del comportamento fisico dei gas, ma non era affatto chiaro quale fosse il motivo per cui tutti i gas rispondessero nello stesso modo ai cambiamenti di volume, pressione e temperatura. Infatti, per altre proprietà fisiche importanti, come la densità, i gas si differenziavano notevolmente; così, per esempio, l'ossigeno ha una densità diciotto volte quella dell'idrogeno. La soluzione del problema fu trovata nel 1811 dal fisico torinese Amedeo Avogadro, che partì dalla supposizione che tutti i gas fossero costituiti da piccolissime particelle chiamate molecole.

Se non avvengono reazioni chimiche ogni gas si mescola con qualsiasi altro gas. Sentire gli odori dell'arrosto e del deodorante anche lontano dalla loro origine ci insegna ancora un'altra proprietà importante: i gas tendono a occupare tutto lo spazio disponibile. In ogni caso, secondo la legge di Boyle, una piccola quantità di gas dispersa in un volume molto grande produrrà comunque una pressione, anche minima, e dato che il gas diffonde in tutto il vasto spazio disponibile, le molecole del gas risultano in generale molto lontane le une dalle altre. Questo significa anche che le molecole dei gas sono praticamente indipendenti le une dalle altre al contrario dello stato solido e dello stato liquido nei quali, stando a stretto contatto, interagiscono fortemente tra loro. Così, guidato dall'identico comportamento fisico di tutti i gas, Avogadro affermò (legge di Avogadro) che volumi eguali, occupati da gas diversi, ma nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole.

Un mistero risolto

Forte della sua scoperta Avogadro riuscì anche fornire la spiegazione di un'altra legge dei gas proposta qualche anno prima dal francese Gay-Lussac. Il chimico francese aveva trovato che gas diversi, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, reagiscono fra di loro secondo rapporti in volume espressi da numeri semplici. Indichiamo con [H₂] il volume di 1 m³ di idrogeno, alla pressione normale di 1 atm e alla temperatura di 25 °C; con [O₂] indichiamo un volume identico di ossigeno, nelle stesse condizioni di pressione e temperatura. Con esperimenti di laboratorio Gay-Lussac aveva scoperto che i due gas reagiscono secondo questa equazione:

2[H₂]+[O₂]→2 [H₂O]

La freccia è il segno che viene utilizzato per indicare una reazione chimica. Così come è stata scritta, l'equazione ci dice che due volumi di idrogeno reagiscono con un volume di ossigeno per dare due volumi di vapore d'acqua. In altre parole il rapporto è 2:1:2. In totale da tre volumi di gas reagenti se ne ottengono soltanto due di gas prodotto, e questo fatto era rimasto incomprensibile per Gay-Lussac. Del resto nella reazione non erano di certo 'spariti' né l'idrogeno né l'ossigeno, in quanto nella quantità d'acqua ottenuta si ritrovavano esattamente le rispettive quantità in peso di idrogeno e ossigeno E allora come mai il volume occupato dall'acqua era diminuito rispetto a quello dei due gas prima della reazione? Che fine aveva fatto il 'volume scomparso'?

La risposta fu data da Avogadro sulla base della sua legge. Se i volumi [H₂], [O₂] e [H₂O] contengono ciascuno lo stesso numero di molecole e la relazione trovata negli esperimenti è vera, basta ammettere che le molecole di idrogeno siano costituite da due atomi di idrogeno e, allo stesso modo, che quelle di ossigeno siano costituite da due atomi di ossigeno. Durante la reazione una molecola di ossigeno O₂ si spezza in due, e ciascun atomo O si unisce a una molecola di idrogeno H₂ per dare una molecola d'acqua H₂O. Nella reazione non cambia solo la natura chimica delle sostanze, ma anche il numero di molecole presenti: dove prima c'erano tre molecole, ora ne abbiamo soltanto due e, dato che tutte le molecole occupano lo stesso volume, da tre volumi si ottengono due volumi. Il mistero che aveva messo in difficoltà Gay-Lussac era risolto.

Gas, vapori e fenomeni atmosferici

Finora abbiamo parlato di diversi gas (idrogeno e ossigeno in particolare) e di un vapore (quello dell'acqua), ma quale differenza c'è fra un gas e un vapore? Quando tiriamo fuori dal frigorifero una lattina di aranciata la sua superficie diventa subito umida, e in certe giornate d'estate molto afose si formano addirittura goccioline d'acqua. È appunto il vapor d'acqua presente nell'atmosfera che si condensa sulla lattina, passa cioè dallo stato gassoso a quello liquido.

La condensazione è il passaggio di stato da gas a liquido e, nell'atmosfera, riguarda solo l'acqua, ma non l'ossigeno o l'azoto. Quando la condensazione avviene per un semplice abbassamento di temperatura si è in presenza di un vapore. Nel nostro esempio l'umidità dell'atmosfera entra in contatto con la superficie fredda della lattina e si condensa, quindi si tratta di un vapore, mentre ossigeno e azoto non subiscono trasformazioni e quindi sono gas. Più in generale distinguiamo tre stati di aggregazione della materia: gas, come l'ossigeno dell'aria; liquido, come l'acqua del rubinetto; o solido, come il ghiaccio. Lo stato di una sostanza dipende essenzialmente dalla temperatura, come sappiamo bene nel caso dell'acqua. Un dado di ghiaccio lasciato fuori dal frigorifero diventa acqua, ossia liquido; se poi si scalda l'acqua a un certo punto si formano delle bollicine, il liquido comincia a bollire e si trasforma in vapore.

Gas necessari, gas utili, gas dannosi e pericolosi

Quattro componenti dell'atmosfera sono indispensabili per la vita. L'ossigeno è l'elemento vitale per la respirazione, ma anche l'azoto ha una funzione essenziale. Infatti se aumentasse anche di poco la percentuale di ossigeno nell'aria rispetto a quella dell'azoto tutta la Terra sarebbe percorsa da incendi indomabili. L'anidride carbonica, anch'essa presente nell'atmosfera in piccola percentuale (0,03%), è una sostanza indispensabile per le piante, perché senza di essa non potrebbero effettuare la fotosintesi clorofilliana. L'acqua è infine necessaria per tutti gli esseri viventi, ed essa è trasportata dai venti in tutti gli angoli della Terra sotto forma di vapore.

Esistono però anche gas sicuramente dannosi, e alcuni di questi sono molto pericolosi. Ai gas dannosi appartengono gli ossidi di azoto presenti nei gas di scarico delle automobili non catalizzate. Purtroppo anche le automobili catalizzate riversano nell'aria torrenti di anidride carbonica, la cui quantità nell'atmosfera supera ormai di molto le necessità delle piante. L'eccesso rende questo gas dannoso, perché esso è il principale responsabile dell'effetto serra, cioè del progressivo riscaldamento della Terra e del conseguente mutamento del clima.

Estremamente pericoloso, addirittura mortale, è l'ossido di carbonio, una sostanza che si forma quando la legna o il carbone bruciano male, con poca aria. La formula dell'ossido di carbonio è CO (un atomo di carbonio e uno di ossigeno), mentre quella dell'anidride carbonica è CO₂ (un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno). La differenza fra le molecole è di un solo atomo di ossigeno, ma mentre l'anidride carbonica circola liberamente nel sangue, trasportata dall'emoglobina, l'ossido di carbonio è per noi un veleno potentissimo.

Infine dobbiamo ricordare che i gas sono utilissimi per la trasmissione di energia. A breve distanza l'aria fortemente compressa viene largamente usata per fornire energia meccanica a macchine di tutti i tipi, dai martelli pneumatici, alle gru montate sui camion, ai giganteschi battipalo dei cantieri edili. La trasmissione dell'energia a grande distanza avviene con i gas sotto forma di energia chimica. Le condutture del metano distribuiscono in tutte le case il prezioso gas che usiamo in cucina, per il riscaldamento e per centrali elettriche più pulite di quelle tradizionali a nafta. Le dimensioni di questo tipo di trasporto dell'energia sono intercontinentali: per esempio un lunghissimo gasdotto correndo sotto il Mediterraneo collega la Libia con la Sicilia.

La diffusione dei gas

Le molecole gassose sono, come tutte le molecole, non visibili ai nostri occhi. Tuttavia possiamo avere un'idea del loro comportamento sulla base di esperienze quotidiane. Se entrando in casa sentiamo il profumo dell'arrosto è perché dai cibi in cottura si sprigionano vapori che contengono molecole che il nostro sensibilissimo 'sensore' per i gas, l'olfatto, riesce a percepire immediatamente. O ancora, un piccolo spruzzo di un deodorante in un angolo della stanza riempie subito tutto l'ambiente di un odore più o meno gradevole. Questo vuol dire che le particelle dei vapori (molecole) che percepiamo come odori si diffondono rapidamente, arrivando in tutti i punti dell'ambiente: la diffusione è appunto un comportamento caratteristico di tutti i gas.

Un caos molto particolare

La parola gas deriva da caos, una parola greca che usiamo anche in italiano, ma con un significato molto diverso da quello che aveva per gli antichi Greci. Per loro caos significava "materia informe", per noi significa "assenza di ordine". Ora è vero che un gas è anche caos, perché non ha una forma propria; che le molecole che costituiscono i gas non sono affatto ordinate, in quanto si muovono velocemente in tutte le direzioni, urtandosi fra di loro e rimbalzando su tutte le pareti che incontrano. Ma i gas - come abbiamo visto - obbediscono a molte leggi importanti, prima fra tutte la legge di Avogadro. Anche se ciascuna delle molecole di un gas si muove in modo caotico, prese tutte insieme il loro comportamento diventa prevedibile con grande precisione, secondo le leggi dei gas.