Boyleov, Charlesov i Gay-Lussacov plinski zakoni ne primjenjuju se na sve plinske uvjete, pa naša analiza postaje teža. Stoga je predstavljen model idealnog plina. Idealni plin ne postoji u svakodnevnom životu; idealni plin je samo savršeni oblik koji olakšava analizu. Postojanje ovog koncepta idealnog plina također nam stvarno pomaže u pregledu odnosa između tri plinska zakona.
Odnos između temperature, volumena i tlaka plina
Pozivajući se na tri gore navedena zakona o plinovima, možemo izvesti općenitiji odnos između temperature, volumena i tlaka plina.
P1 = početni tlak (Pa ili N/m2 ) , P2 = konačni tlak (Pa ili N/m2 ) , V1 = početni volumen (m3 ) , V2 = konačni volumen (m3 ) , T1 = početna temperatura (K), T2 = krajnja temperatura (K)
(Pa = pascal, N = Newton, m² = kvadratni metar, m³ = kubični metar, K = Kelvin)
Odnos između mase plina (m) i volumena (V)
Što se više zraka unese u gumeni balon, to je balon više napuhan. Drugim riječima, što je veća masa plina, to je veći volumen balona. Možemo reći da je masa plina (m) izravno proporcionalna volumenu plina (V).
Broj molova (n)
1 mol = masa tvari jednaka molekularnoj masi tvari. Masa i molekularna masa kisika su različite.
Primjer 1, molekularna masa kisika (O2 ) = 16 u + 16 u = 32 u (svaka molekula kisika sadrži 2 atoma kisika, gdje svaki atom kisika ima masu 16 u). Dakle, 1 mol O2 ima masu od 32 grama. Ili molekularna masa O2 = 32 grama / mol = 32 kg/kmol.
Primjer 2, molekularna masa plina ugljikovog monoksida (CO) = 12 u + 16 u = 28 u (svaka molekula ugljikovog monoksida sadrži 1 atom ugljika (C) i 1 atom kisika (O). Masa 1 atoma ugljika = 12 u i masa 1 atoma kisika = 16 u. 12 u + 16 u = 28 u). Dakle, 1 mol CO ima masu od 28 grama. Ili molekularna masa CO = 28 grama/mol = 28 kg/kmol.
Primjer 3, molekularna masa plina ugljikovog dioksida (CO2) = [12 u + (2 x 16 u)] = [12 u + 32 u] = 44 u (svaka molekula ugljikovog dioksida sadrži 1 atom ugljika (C) i 2 atoma kisika (O). Masa 1 atoma ugljika = 12 u, a masa 1 atoma kisika = 16 u). Dakle, 1 mol CO2 ima masu od 44 grama. Ili molekularna masa CO2 = 44 grama/mol = 44 kg/kmol.
Broj molova (n) tvari = omjer mase tvari i njezine molekularne mase. Matematički:
Pitanje 1:
Izračunajte broj molova na 64 g O2
Masa O2 = 64 grama
Molekularna masa O2 = 32 grama/mol
Pitanje 2:
Izračunajte broj molova pri 280 grama CO2
Masa CO2 = 280 grama
Molekularna masa CO = 28 grama/mol
Pitanje 3:
Izračunajte broj molova na 176 grama CO2
Masa CO2 = 176 grama
Molekularna masa CO2 = 44 grama/mol
Univerzalne plinske konstante (R)
Na temelju istraživanja znanstvenika utvrđeno je da ako se broj molova (n) koristi za izražavanje veličine tvari, tada konstanta usporedbe za svaki plin ima istu vrijednost. Odgovarajuća konstanta je univerzalna plinska konstanta (R).
R = 8.315 J/mol·K
= 8315 kJ / kmol·K
= 0.0821 (L.atm) / (mol.K)
= 1.99 kal / mol K
(J = džul, K = Kelvin, L = litra, atm = atmosfera, cal = kalorija)
ZAKON IDEALNOG PLINA (u broju molova)
Gornja usporedba može se pretvoriti u jednadžbe unosom broja molova (n) i univerzalnih plinskih konstanti (R).
PV = n RT
Ova jednadžba se naziva zakon idealnog plina ili jednadžba stanja idealnog plina.
P = tlak plina (N/ m² )
V = volumen plina ( m3 )
n = broj molova (mol)
R = univerzalne plinske konstante (R = 8.315 J/mol.K)
T = apsolutna temperatura plina (K)
U rješavanju problema naići ćete na pojam STP. STP je standardna temperatura i tlak.
Standardna temperatura (T) = 0 ° C = 273 K
Standardni tlak (P) = 1 atm = 1.013 x 10⁶ N /m² = 1.013 x 10⁻² kPa = 101 kPa
Pri rješavanju problema s plinskim zakonima, temperaturu treba izraziti u Kelvinovoj (K) skali. Ako je tlak plina i dalje mjerni tlak, prvo ga promijenite u apsolutni tlak. Apsolutni tlak = atmosferski tlak + mjerni tlak. Ako je poznati atmosferski tlak (nema mjernog tlaka), riješite problem.
Pitanje 1:
Pri atmosferskom tlaku (101 kPa), temperatura ugljikovog dioksida = 20 ° C, a njegov volumen = 2 litre. Ako se tlak pretvori u 201 kPa, a temperatura poveća na 40 °C, izračunajte konačni volumen ugljikovog dioksida.
Riješenje
P1 = 101 kPa
P2 = 201 kPa
T1 = 20 ° C + 273K = 293K
T2 = 40 ° C + 273 K = 313 K
V 1 = 2 litre
Pitanje 2:
Odredite volumen 2 mola plina pri standardnoj temperaturi (normalnoj temperaturi) (ovaj plin je idealni plin).
Riješenje
Pitanje 3:
Volumen kisika pri standardnom tlaku = 20 m3 . Izračunajte masu kisika.
Riješenje
Volumen 1 mola plina pri standardnoj temperaturi = 22.4 litre = 22.4 dm³ = 22.4 x 10⁻³ m³ (22.4 x 10⁻³ m³ / mol )
Volumen kisika pri standardnoj temperaturi = 20 m3
Masa molekula kisika = 32 grama / mol (masa 1 mola kisika = 32 grama). Dakle, masa plinovitog kisika je:
masa (m) = broj molova (n) x molekularna masa
masa = (893 mol) x (32 grama / mol) = 28576 grama = 28.576 kg
Pitanje 4:
Spremnik sadrži 4 litre kisika (O2 ) . Temperatura kisika je = 20 ° C, a izmjereni tlak je = 20 x 105 N /m2 . Odredite masu kisika ( Molekularna masa kisika = 32 kg/kmol = 32 grama/mol).
Riješenje
P = P atm + P izmjereno = (1 x 10⁶ N /m² ) + (20 x 10⁶ N /m² ) = 21 x 10⁶ N / m²
T = 20 ° C + 273 = 293 K
V = 4 litre = 4 dm³ = 4 x 10⁻³ m³
R = 8.315 J/mol K = 8.315 Nm/mol K
Molekularna masa kisika = 32 kg/kmol = 32 grama/mol
Masa O2?
ZAKON IDEALNOG PLINA (u broju molekula)
Ako veličinu tvari ne izražavamo u obliku mase (m), već u broju molova (n), tada se univerzalna plinska konstanta (R) odnosi na sve plinove. Prvi ju je otkrio talijanski znanstvenik Amadeo Avogadro (1776.-1856.).
Avogadro je rekao da kada su volumen, tlak i temperatura svakog plina jednaki, svaki plin ima isti broj molekula.
Avogadrova hipoteza odgovara činjenici da je konstanta R ista za sve plinove. Evo nekoliko dokaza:
Prvo, ako problem riješimo pomoću jednadžbe zakona idealnog plina (PV = nRT), otkrit ćemo da kada je broj molova (n) jednak,
Ako su tlak i temperatura također slični, tada će volumen svih plinova biti isti ako koristimo univerzalne plinske konstante R = 8.315 J / mol. K). U standardnom temperaturnom stanju (STP), svaki plin s istim brojem molova (n) imat će isti volumen. Volumen 1 mola plina pri STP = 22.4 litre. Volumen 2 mola plina = 44.8 litara. Volumen 3 mola plina = 67.2 litre. I tako dalje. To se odnosi na sve plinove.
Drugo, broj molekula u 1 molu isti je za sve plinove. Broj molekula u 1 molu = broj molekula po molu = Avogadrov broj (NA). Dakle, Avogadrov broj isti je za sve plinove.
Avogadrov broj dobiven mjerenjem:
NA = 6.02 x 10²⁻¹ molekula/mol
Da biste dobili ukupan broj molekula (N), pomnožite broj molekula po molu (NA ) s brojem molova (n).
Ukupan broj molekula (N) = broj molekula po molu (NA ) x broj molova (n)
P = Tlak, V = Volumen, N = Ukupan broj molekula, k = Boltzmannova konstanta (k = 1.38 x 10-23 J/K), T = Temperatura
Jedinice zapremnine
1 litra (L) = 1000 mililitara (mL) = 1000 kubičnih centimetara ( cm³ )
1 litra (L) = 1 kubni decimetar (dm³ ) = 1 x 10⁻³ m³
Jedinice tlaka
1 N/m² = 1 Pa
1 atm = 1.013 x 10⁻¹ N /m² = 1.013 x 10⁻¹ Pa = 1.013 x 10⁻² kPa = 101.3 kPa (obično se koristi 101 kPa)
Pa = pascal
atm = atmosfera
