Gaz jest stanem materii bez określonego kształtu lub objętości. Gazy mają swoje własne unikalne zachowanie w zależności od różnych zmiennych, takich jak temperatura, ciśnienie i objętość. Podczas gdy każdy gaz jest inny, wszystkie gazy działają w podobnej materii. W niniejszym przewodniku do badań podkreślono pojęcia i prawa dotyczące chemii gazów.
Ciśnienie to miara ilość siły na jednostkę powierzchni. Ciśnienie gazu jest wielkością siły wywieranej przez gaz na powierzchnię w jego objętości. Gazy o wysokim ciśnieniu wywierają większą siłę niż gaz o niskim ciśnieniu.
The SI jednostką ciśnienia jest paskal (symbol Pa). Paskal jest równy sile 1 niutonów na metr kwadratowy. To urządzenie nie jest bardzo przydatne w kontaktach z gazami w rzeczywistych warunkach, ale jest standardem, który można zmierzyć i odtworzyć. Z biegiem czasu rozwinęło się wiele innych jednostek ciśnienia, głównie zajmujących się gazem, z którym jesteśmy najbardziej zaznajomieni: powietrzem. Problem z powietrzem, ciśnienie nie jest stałe. Ciśnienie powietrza zależy od wysokości nad poziomem morza i wielu innych czynników. Wiele jednostek ciśnienia pierwotnie opierało się na średnim ciśnieniu powietrza na poziomie morza, ale uległo standaryzacji.
Temperatura jest właściwością materii związaną z ilością energii cząstek składowych.
Opracowano kilka skal temperatur do pomiaru tej ilości energii, ale standardowa skala SI to Skala temperatury Kelvina. Dwie inne popularne skale temperatur to skala Fahrenheita (° F) i Celsjusza (° C).
The Skala Kelvina jest absolutną skalą temperatury i jest wykorzystywany w prawie wszystkich obliczeniach gazu. Ważne jest, aby pracować z problemami z gazem do konwersji odczyty temperatury do Kelvina.
Wzory przeliczeniowe między skalami temperatur:
K = ° C + 273,15
° C = 5/9 (° F - 32)
° F = 9/5 ° C + 32
STP oznacza standardowa temperatura i presja. Odnosi się do warunków przy 1 atmosferze ciśnienia w 273 K (0 ° C). STP jest powszechnie stosowany w obliczeniach związanych z gęstością gazów lub w innych przypadkach standardowe warunki stanu.
W STP mol idealnego gazu zajmie objętość 22,4 L.
Prawo Daltona stwierdza, że całkowite ciśnienie mieszaniny gazów jest równe sumie wszystkich indywidualnych ciśnień samych gazów składowych.
P.całkowity = PGaz 1 + PGaz 2 + PGaz 3 + ...
Indywidualne ciśnienie gazu składowego jest znane jako ciśnienie cząstkowe gazu. Ciśnienie częściowe oblicza się ze wzoru
P.ja = XjaP.całkowity
gdzie
P.ja = ciśnienie cząstkowe pojedynczego gazu
P.całkowity = ciśnienie całkowite
Xja = ułamek molowy pojedynczego gazu
Ułamek molowy, Xja, oblicza się, dzieląc liczbę moli pojedynczego gazu przez całkowitą liczbę moli zmieszanego gazu.
Prawo Avogadro stwierdza, że objętość gazu jest wprost proporcjonalna do liczba moli gazu, gdy ciśnienie i temperatura pozostają stałe. Zasadniczo: gaz ma objętość. Dodaj więcej gazu, gaz zajmuje więcej objętości, jeśli ciśnienie i temperatura się nie zmieniają.
V = kn
gdzie
V = objętość k = stała n = liczba moli
Prawo Avogadro można również wyrazić jako
V.ja/ nja = V.fa/ nfa
gdzie
V.ja i Vfa są tomami początkowymi i końcowymi
nja oraz nfa to początkowa i końcowa liczba moli
Prawo gazowe Boyle'a stwierdza, że objętość gazu jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia, gdy temperatura jest utrzymywana na stałym poziomie.
P = k / V
gdzie
P = ciśnienie
k = stała
V = objętość
Prawo Boyle'a można również wyrazić jako
P.jaV.ja = PfaV.fa
gdzie Pja i pfa to ciśnienie początkowe i końcowe Vja i Vfa są presją początkową i końcową
Gdy objętość wzrośnie, ciśnienie spadnie lub gdy objętość spadnie, ciśnienie wzrośnie.
Prawo gazowe Karola stwierdza, że objętość gazu jest proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej, gdy ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie.
V = kT
gdzie
V = objętość
k = stała
T = temperatura bezwzględna
Prawo Karola można również wyrazić jako
V.ja/ Tja = V.fa/ Tja
gdzie Vja i Vfa są początkowe i końcowe tomy
T.ja oraz Tfa są początkową i końcową temperaturą bezwzględną
Jeśli ciśnienie będzie utrzymywane na stałym poziomie, a temperatura wzrośnie, objętość gazu wzrośnie. W miarę ochładzania gazu objętość będzie się zmniejszać.
Chłopak- Prawo gazowe Lucaca stwierdza, że ciśnienie gazu jest proporcjonalne do jego temperatury absolutnej, gdy objętość jest utrzymywana na stałym poziomie.
P = kT
gdzie
P = ciśnienie
k = stała
T = temperatura bezwzględna
Prawo Guy-Lussaca można również wyrazić jako
P.ja/ Tja = Pfa/ Tja
gdzie Pja i pfa są presją początkową i końcową
T.ja oraz Tfa są początkową i końcową temperaturą bezwzględną
Jeśli temperatura wzrośnie, ciśnienie gazu wzrośnie, jeśli objętość będzie utrzymywana na stałym poziomie. W miarę ochładzania gazu ciśnienie spada.
Znane jest także prawo gazu doskonałego jako połączone prawo gazowe, jest kombinacją wszystkich zmienne w poprzednich prawach dotyczących gazu. The prawo gazu doskonałego wyraża się wzorem
PV = nRT
gdzie
P = ciśnienie
V = objętość
n = liczba moli gazu
R = idealna stała gazowa
T = temperatura bezwzględna
Wartość R zależy od jednostek ciśnienia, objętości i temperatury.
R = 0,0821 litra · atm / mol · K (P = atm, V = L i T = K)
R = 8,3145 J / mol · K (ciśnienie x objętość jest energią, T = K)
R = 8,2057 m3· Atm / mol · K (P = atm, V = metry sześcienne i T = K)
R = 62,3637 L · Torr / mol · K lub L · mmHg / mol · K (P = torr lub mm Hg, V = L i T = K)
Idealne prawo gazu działa dobrze dla gazów w normalnych warunkach. Niekorzystne warunki obejmują wysokie ciśnienia i bardzo niskie temperatury.
Prawo gazu doskonałego jest dobrym przybliżeniem zachowania gazów rzeczywistych. Wartości przewidywane przez prawo gazu doskonałego mieszczą się zwykle w granicach 5% zmierzonych wartości rzeczywistych. Idealne prawo gazu zawodzi, gdy ciśnienie gazu jest bardzo wysokie lub temperatura jest bardzo niska. Równanie van der Waalsa zawiera dwie modyfikacje prawa gazu doskonałego i służy do dokładniejszego przewidywania zachowania się gazów rzeczywistych.
Równanie van der Waalsa to
(P + an2/ V2) (V - nb) = nRT
gdzie
P = ciśnienie
V = objętość
a = stała korekcji ciśnienia unikalna dla gazu
b = stała korekcji objętości, unikalna dla gazu
n = liczba moli gazu
T = temperatura bezwzględna
Równanie van der Waalsa obejmuje korekcję ciśnienia i objętości w celu uwzględnienia interakcji między cząsteczkami. W przeciwieństwie do gazów idealnych, poszczególne cząstki gazu rzeczywistego oddziałują ze sobą i mają określoną objętość. Ponieważ każdy gaz jest inny, każdy gaz ma własne poprawki lub wartości aib w równaniu van der Waalsa.