Legge dei volumi di combinazione di Gay Lussac

Agli inizi del XIX secolo lo scienziato Gay Lussac osservò una relazione costante nelle reazioni chimiche dei volumi di gas.

Quando due sostanze gassose si combinano tra loro, a parità di pressione e temperatura, il rapporto dei volumi delle sostanze reagenti e dei prodotti è un rapporto tra numeri interi.

E' anche detta legge dei rapporti multipli in volume.

Un esempio pratico

In questa tabella sono mostrati i i risultati di un esperimento di combinazione tra volumi di idrogeno e ossigeno, entrambi allo stato gassoso.

Osservando questi dati, si nota subito che la reazione chimica avviene sempre al rapporto 2:1 tra il volume di idrogeno e di ossigeno (sostanze reagenti).

Esempio. Il primo esempio è una reazione chimica tra 10 ml di idrogeno e 10 ml di ossigeno che produce 10 ml di acqua e 5 ml di ossigeno. Pertanto, eliminando i volumi non reagenti (5 ml di ossigeno) la reazione chimica è tra 10 ml di idrogeno e 5 ml di ossigeno con un rapporto 2:1 dei volumi delle sostanze reagenti. Lo stesso rapporto si ottiene anche negli altri esempi della tabella.

I problemi con la teoria atomica di Dalton

I risultati sperimentali di Gay Lussac misero in crisi la teoria atomica di Dalton.

Secondo Dalton le sostanze elementari sono composte da atomi e non da molecole. Quindi, due volumi uguali di gas diversi contenevano lo stesso numero di atomi.

Pertanto, il rapporto tra 2 volumi di idrogeno e 1 volume di ossigeno avrebbe dovuto produrre 1 volume d'acqua.

Nota. Secondo Dalton una molecola d'acqua era HO, ossia era composta soltanto da un atomo di idrogeno e un atomo di ossigeno. Dalton considerava le molecole (o "atomi composti") come prodotti della reazione chimica di due o più atomi diversi. Non considerava possibile che due atomi uguali potessero unirsi in una reazione per formare una molecola.

Secondo la teoria di Dalton, la molecola d'acqua era composta da due atomi H+O e l'ossigeno come gas da un solo atomo O.

Pertanto, la molecola di vapore acqueo (HO) avrebbe una densità (rapporto massa/volume) maggiore dell'ossigeno (O).

Questo risultato non era però confermato dalle osservazioni sperimentali, in base alle quali la densità del vapore acqueo era minore rispetto all'ossigeno

Nota. Lo stesso Gay Lussac non riuscì a spiegare i risultati sperimentali con la legge di Dalton.

La soluzione del problema

Il problema venne risolto definitivamente nel XIX secolo dal chimico torinese Avogadro che rigettò l'idea dei gas elementari composti da singoli atomi dell'elemento chimico.

Secondo Avogadro i gas elementari sono molecole poliatomiche composte anche da atomi dello stesso tipo.

Esempio. Secondo il principio di Avogadro l'ossigeno allo stato gassoso è composto da molecole O₂ ognuna delle quali ha due atomi di ossigeno. Considerando il vapore acqueo come molecola H₂O e il gas dell'ossigeno O₂, diventa subito evidente che la massa molecolare del vapore acqueo (1+1+16=18) è inferiore alla massa molecolare dell'ossigeno (16+16=32). Pertanto, a parità di volume la densità del vapore acqueo è inferiore all'ossigeno.

Considerando biatomiche le molecole di idrogeno e ossigeno, il risultato sperimentale di Gay Lussac viene spiegato.

$$ 2 H_2 + O_2 \rightarrow 2 H_2O $$

Due volumi di idrogeno (due molecole) e un volume di ossigeno (una molecola) reagiscono formando due volumi di acqua (due molecole).

E così via.