Ein Gas ist ein Materiezustand ohne definierte Form oder Volumen. Gase haben ihr eigenes einzigartiges Verhalten in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Variablen wie Temperatur, Druck und Volumen. Während jedes Gas anders ist, wirken alle Gase in einer ähnlichen Angelegenheit. Dieser Studienführer beleuchtet die Konzepte und Gesetze, die sich mit der Chemie von Gasen befassen.
Druck ist a Maß die Kraftmenge pro Flächeneinheit. Der Druck eines Gases ist die Kraft, die das Gas auf eine Oberfläche innerhalb seines Volumens ausübt. Gase mit hohem Druck üben mehr Kraft aus als Gase mit niedrigem Druck.
Das SI Druckeinheit ist der Pascal (Symbol Pa). Der Pascal entspricht der Kraft von 1 Newton pro Quadratmeter. Dieses Gerät ist nicht sehr nützlich, wenn es um Gase unter realen Bedingungen geht, aber es ist ein Standard, der gemessen und reproduziert werden kann. Viele andere Druckeinheiten haben sich im Laufe der Zeit entwickelt und befassen sich hauptsächlich mit dem Gas, mit dem wir am besten vertraut sind: Luft. Das Problem mit Luft, der Druck ist nicht konstant. Der Luftdruck hängt von der Höhe über dem Meeresspiegel und vielen anderen Faktoren ab. Viele Druckeinheiten basierten ursprünglich auf einem durchschnittlichen Luftdruck auf Meereshöhe, wurden jedoch standardisiert.
Die Temperatur ist eine Eigenschaft der Materie, die sich auf die Energiemenge der Teilchen bezieht.
Es wurden mehrere Temperaturskalen entwickelt, um diese Energiemenge zu messen, aber die SI-Standardskala ist die Kelvin-Temperaturskala. Zwei weitere gängige Temperaturskalen sind die Skalen Fahrenheit (° F) und Celsius (° C).
Das Kelvin-Skala ist eine absolute Temperaturskala und wird in fast allen Gasberechnungen verwendet. Bei der Arbeit mit Gasproblemen ist es wichtig, umzuwandeln die Temperaturwerte zu Kelvin.
Umrechnungsformeln zwischen Temperaturskalen:
K = ° C + 273,15
° C = 5/9 (° F - 32)
° F = 9/5 ° C + 32
STP bedeutet Standardtemperatur und Druck. Es bezieht sich auf die Bedingungen bei 1 Druckatmosphäre bei 273 K (0 ° C). STP wird üblicherweise in Berechnungen verwendet, die sich auf die Dichte von Gasen oder in anderen Fällen beziehen Standardzustandsbedingungen.
Bei STP nimmt ein Mol eines idealen Gases ein Volumen von 22,4 l ein.
Daltons Gesetz gibt an, dass der Gesamtdruck eines Gasgemisches gleich der Summe aller Einzeldrücke der Komponentengase allein ist.
P.gesamt = P.Gas 1 + P.Gas 2 + P.Gas 3 + ...
Der individuelle Druck des Komponentengases ist bekannt als Partialdruck des Gases. Der Partialdruck wird nach der Formel berechnet
P.ich = X.ichP.gesamt
wo
P.ich = Partialdruck des einzelnen Gases
P.gesamt = Gesamtdruck
X.ich = Molenbruch des einzelnen Gases
Die Molfraktion X.ichwird berechnet, indem die Anzahl der Mol des einzelnen Gases durch die Gesamtzahl der Mol des gemischten Gases dividiert wird.
Avogadros Gesetz gibt an, dass das Volumen eines Gases direkt proportional zu ist die Anzahl der Maulwürfe von Gas, wenn Druck und Temperatur konstant bleiben. Grundsätzlich gilt: Gas hat Volumen. Fügen Sie mehr Gas hinzu, Gas nimmt mehr Volumen auf, wenn sich Druck und Temperatur nicht ändern.
V = kn
wo
V = Volumen k = Konstante n = Molzahl
Das Avogadro-Gesetz kann auch ausgedrückt werden als
V.ich/ nich = V.f/ nf
wo
V.ich und V.f sind Anfangs- und Endbände
nich und nf sind Anfangs- und Endzahl der Mol
Boyles Gasgesetz gibt an, dass das Volumen eines Gases umgekehrt proportional zum Druck ist, wenn die Temperatur konstant gehalten wird.
P = k / V.
wo
P = Druck
k = konstant
V = Volumen
Boyles Gesetz kann auch ausgedrückt werden als
P.ichV.ich = P.fV.f
wo P.ich und Pf sind die Anfangs- und Enddrücke V.ich und V.f sind die Anfangs- und Enddrücke
Wenn das Volumen zunimmt, der Druck abnimmt oder wenn das Volumen abnimmt, steigt der Druck.
Charles 'Gasgesetz gibt an, dass das Volumen eines Gases proportional zu seiner absoluten Temperatur ist, wenn der Druck konstant gehalten wird.
V = kT
wo
V = Volumen
k = konstant
T = absolute Temperatur
Charles 'Gesetz kann auch ausgedrückt werden als
V.ich/ T.ich = V.f/ T.ich
wo V.ich und V.f sind die Anfangs- und Endbände
T.ich und Tf sind die anfänglichen und endgültigen absoluten Temperaturen
Wenn der Druck konstant gehalten wird und die Temperatur steigt, nimmt das Volumen des Gases zu. Wenn das Gas abkühlt, nimmt das Volumen ab.
Kerl-Lussacs Gasgesetz gibt an, dass der Druck eines Gases proportional zu seiner absoluten Temperatur ist, wenn das Volumen konstant gehalten wird.
P = kT
wo
P = Druck
k = konstant
T = absolute Temperatur
Das Gesetz von Guy-Lussac kann auch ausgedrückt werden als
P.ich/ T.ich = P.f/ T.ich
wo P.ich und Pf sind die Anfangs- und Enddrücke
T.ich und Tf sind die anfänglichen und endgültigen absoluten Temperaturen
Wenn die Temperatur steigt, steigt der Druck des Gases, wenn das Volumen konstant gehalten wird. Wenn das Gas abkühlt, nimmt der Druck ab.
Das ideale Gasgesetz, auch bekannt als das kombinierte Gasgesetzist eine Kombination aller Variablen in den vorherigen Gasgesetzen. Das ideales Gasgesetz wird durch die Formel ausgedrückt
PV = nRT
wo
P = Druck
V = Volumen
n = Anzahl der Mol Gas
R = ideale Gaskonstante
T = absolute Temperatur
Der Wert von R hängt von den Einheiten Druck, Volumen und Temperatur ab.
R = 0,0821 Liter · atm / mol · K (P = atm, V = L und T = K)
R = 8,3145 J / mol · K (Druck x Volumen ist Energie, T = K)
R = 8,2057 m3· Atm / mol · K (P = atm, V = Kubikmeter und T = K)
R = 62,3637 L · Torr / mol · K oder L · mmHg / mol · K (P = Torr oder mmHg, V = L und T = K)
Das ideale Gasgesetz funktioniert unter normalen Bedingungen gut für Gase. Zu den ungünstigen Bedingungen gehören hohe Drücke und sehr niedrige Temperaturen.
Das ideale Gasgesetz ist eine gute Annäherung an das Verhalten realer Gase. Die durch das ideale Gasgesetz vorhergesagten Werte liegen typischerweise innerhalb von 5% der gemessenen realen Werte. Das ideale Gasgesetz versagt, wenn der Druck des Gases sehr hoch oder die Temperatur sehr niedrig ist. Die Van-der-Waals-Gleichung enthält zwei Modifikationen des idealen Gasgesetzes und wird verwendet, um das Verhalten realer Gase genauer vorherzusagen.
Die Van-der-Waals-Gleichung lautet
(P + an2/ V.2) (V - nb) = nRT
wo
P = Druck
V = Volumen
a = für das Gas eindeutige Druckkorrekturkonstante
b = für das Gas eindeutige Volumenkorrekturkonstante
n = die Anzahl der Mol Gas
T = absolute Temperatur
Die Van-der-Waals-Gleichung enthält eine Druck- und Volumenkorrektur, um die Wechselwirkungen zwischen Molekülen zu berücksichtigen. Im Gegensatz zu idealen Gasen haben die einzelnen Partikel eines realen Gases Wechselwirkungen miteinander und ein bestimmtes Volumen. Da jedes Gas anders ist, hat jedes Gas seine eigenen Korrekturen oder Werte für a und b in der Van-der-Waals-Gleichung.