Kaasu on ainetila, jolla ei ole määriteltyä muotoa tai tilavuutta. kaasut on oma ainutlaatuinen käyttäytymisensä riippuen monista muuttujista, kuten lämpötilasta, paineesta ja tilavuudesta. Vaikka kukin kaasu on erilainen, kaikki kaasut toimivat samalla tavalla. Tämä opas tuo esiin kaasukemiaan liittyvät käsitteet ja lait.
Paine on a mitta voiman määrä pinta-alayksikköä kohden. Kaasun paine on voiman määrä, jonka kaasu kohdistaa pintaan sen tilavuuden sisällä. Kaasut, joissa on korkea paine, käyttävät enemmän voimaa kuin matalan paineen kaasut.
SI paineyksikkö on pascal (symboli Pa). Pascal on yhtä suuri kuin 1 newtonin voima neliömetriä kohti. Tämä yksikkö ei ole kovin hyödyllinen käsitellessäsi kaasuja todellisissa olosuhteissa, mutta se on standardi, joka voidaan mitata ja toistaa. Monet muut paineyksiköt ovat kehittyneet ajan myötä, ja ne käsittelevät lähinnä kaasua, jonka olemme parhaiten perehtyneitä: ilmaa. Ongelma ilmassa, paine ei ole vakio. Ilmanpaine riippuu merenpinnan korkeudesta ja monista muista tekijöistä. Monet paineyksiköt perustuivat alun perin keskimääräiseen ilmanpaineeseen merenpinnan tasolla, mutta niistä on tullut standardisoituja.
Lämpötila on aineen ominaisuus, joka liittyy komponenttihiukkasten energian määrään.
Tämän energian määrän mittaamiseksi on kehitetty useita lämpötila-asteikkoja, mutta SI-vakioasteikko on Kelvin-lämpötila-asteikko. Kaksi muuta yleistä lämpötila-asteikkoa ovat Fahrenheit (° F) ja Celsius (° C) asteikot.
Kelvin-asteikko on absoluuttinen lämpötila-asteikko ja sitä käytetään melkein kaikissa kaasulaskelmissa. Kaasu-ongelmien kanssa työskennellessä on tärkeää muuntaa lämpötilalukemat Kelvinille.
Muuntokaavat lämpötila-asteikkojen välillä:
K = ° C + 273,15
° C = 5/9 (° F - 32)
° F = 9/5 ° C + 32
STP tarkoittaa standardilämpötila ja paine. Se viittaa olosuhteisiin paineen 1 ilmakehässä lämpötilassa 273 K (0 ° C). STP: tä käytetään yleisesti laskelmissa, jotka liittyvät kaasujen tiheyteen tai muihin tapauksiin vakio-olosuhteet.
STP: llä ihanteellisen kaasun mooli vie 22,4 litran tilavuuden.
Daltonin laki toteaa, että kaasuseoksen kokonaispaine on yhtä suuri kuin komponenttikaasujen kaikkien yksittäisten paineiden summa.
Pkaikki yhteensä = PKaasu 1 + PKaasu 2 + PKaasu 3 + ...
Komponenttikaasun yksilöllinen paine tunnetaan osapaineena kaasusta. Osapaine lasketaan kaavalla
Pminä = XminäPkaikki yhteensä
missä
Pminä = yksittäisen kaasun osapaine
Pkaikki yhteensä = kokonaispaine
Xminä = yksittäisen kaasun moolifraktio
Moolijae, Xminä, lasketaan jakamalla yksittäisen kaasun moolien lukumäärä sekoitetun kaasun moolien kokonaismäärällä.
Avogadro laki toteaa, että kaasun tilavuus on suoraan verrannollinen moolien lukumäärä kaasun, kun paine ja lämpötila pysyvät vakiona. Periaatteessa: kaasulla on tilavuus. Lisää enemmän kaasua, kaasu vie enemmän tilavuutta, jos paine ja lämpötila eivät muutu.
V = kn
missä
V = tilavuus k = vakio n = moolien lukumäärä
Avogadro-laki voidaan myös ilmaista
Vminä/ nminä = Vf/ nf
missä
Vminä ja Vf ovat alkuperäisiä ja lopullisia määriä
nminä ja nf ovat moolien alkuperäinen ja lopullinen lukumäärä
Boylen kaasulaki toteaa, että kaasun tilavuus on käänteisesti verrannollinen paineeseen, kun lämpötilaa pidetään vakiona.
P = k / V
missä
P = paine
k = vakio
V = tilavuus
Boylen laki voidaan myös ilmaista
PminäVminä = PfVf
missä Pminä ja Pf ovat lähtö- ja loppupaineita Vminä ja Vf ovat lähtö- ja loppupaineita
Kun tilavuus kasvaa, paine pienenee tai tilavuuden pienentyessä paine kasvaa.
Kaarlen kaasulaki toteaa, että kaasun tilavuus on verrannollinen sen absoluuttiseen lämpötilaan, kun paine pidetään vakiona.
V = kT
missä
V = tilavuus
k = vakio
T = absoluuttinen lämpötila
Kaarlen laki voidaan ilmaista myös
Vminä/ Tminä = Vf/ Tminä
missä Vminä ja Vf ovat alkuperäiset ja lopulliset volyymit
Tminä ja Tf ovat alkuperäiset ja lopulliset absoluuttiset lämpötilat
Jos paine pidetään vakiona ja lämpötila nousee, kaasun tilavuus kasvaa. Kun kaasu jäähtyy, tilavuus vähenee.
Kaveri-Lussacin kaasulaki toteaa, että kaasun paine on verrannollinen sen absoluuttiseen lämpötilaan, kun tilavuus pidetään vakiona.
P = kT
missä
P = paine
k = vakio
T = absoluuttinen lämpötila
Guy-Lussacin laki voidaan myös ilmaista
Pminä/ Tminä = Pf/ Tminä
missä Pminä ja Pf ovat lähtö- ja loppupaineita
Tminä ja Tf ovat alkuperäiset ja lopulliset absoluuttiset lämpötilat
Jos lämpötila nousee, kaasun paine kasvaa, jos tilavuus pidetään vakiona. Kun kaasu jäähtyy, paine laskee.
Ihanteellinen kaasulaki, joka tunnetaan myös kuin yhdistetty kaasulaki, on yhdistelmä kaikkia muuttujat aiemmissa kaasulaissa. ihanteellinen kaasulaki ilmaistaan kaavalla
PV = nRT
missä
P = paine
V = tilavuus
n = kaasumoolien lukumäärä
R = ihanteellinen kaasuvakio
T = absoluuttinen lämpötila
R-arvo riippuu paine-, tilavuus- ja lämpötilayksiköistä.
R = 0,0821 litraa · atm / mol · K (P = atm, V = L ja T = K)
R = 8,3145 J / mol · K (paine x tilavuus on energia, T = K)
R = 8,2057 m3· Atm / mol · K (P = atm, V = kuutiometri ja T = K)
R = 62,3637 L · Torr / mol · K tai L · mmHg / mol · K (P = torr tai mmHg, V = L ja T = K)
Ihanteellinen kaasulaki toimii hyvin kaasuille normaaleissa olosuhteissa. Epäsuotuisiin olosuhteisiin kuuluvat korkeat paineet ja erittäin matalat lämpötilat.
Ihanteellinen kaasulaki on hyvä lähestymistapa todellisten kaasujen käyttäytymiseen. Ideaalikaasulain ennustamat arvot ovat tyypillisesti 5%: n sisällä mitattujen reaalimaailman arvoista. Ihanteellinen kaasulaki epäonnistuu, kun kaasun paine on erittäin korkea tai lämpötila on erittäin matala. Van der Waals -yhtälö sisältää kaksi modifikaatiota ideaalikaasulakiin ja sitä käytetään paremmin ennustamaan todellisten kaasujen käyttäytymistä.
Van der Waals -yhtälö on
(P + an2/ V2) (V - nb) = nRT
missä
P = paine
V = tilavuus
a = kaasun ainutlaatuinen painekorjausvakio
b = kaasun ainutlaatuinen tilavuuskorjausvakio
n = kaasumoolien lukumäärä
T = absoluuttinen lämpötila
Van der Waals -yhtälöön sisältyy paineen ja tilavuuden korjaus molekyylien välisten vuorovaikutusten huomioon ottamiseksi. Toisin kuin ihanteelliset kaasut, todellisen kaasun yksittäisillä hiukkasilla on vuorovaikutus toistensa kanssa ja niillä on selvä tilavuus. Koska jokainen kaasu on erilainen, jokaisella kaasulla on omat korjauksensa tai arvot a ja b: lle van der Waals -yhtälössä.