Legile gazelor ale lui Boyle, legile lui Charles și legile lui Gay-Lussac nu se aplică tuturor condițiilor gazoase, astfel încât analiza noastră devine mai dificilă. Prin urmare, este prezentat modelul gazului ideal. Gazul ideal nu există în viața de zi cu zi; gazul ideal este forma perfectă pentru a facilita analiza. Existența acestui concept de gaz ideal ne ajută, de asemenea, cu adevărat în revizuirea relației dintre cele trei legi ale gazelor.
Relația dintre temperatură, volum și presiunea gazului
Referindu-ne la cele trei legi ale gazelor de mai sus, putem deduce o relație mai generală între temperatură, volum și presiunea gazului.
P1 = presiune inițială (Pa sau N/m2 ) , P2 = presiune finală (Pa sau N/m2 ) , V1 = volum inițial (m3 ) , V2 = volum final (m3 ) , T1 = temperatură inițială (K), T2 = temperatură finală (K)
(Pa = pascal, N = Newton, m² = metru pătrat, m³ = metru cub, K = Kelvin)
Relația dintre masa gazului (m) și volumul (V)
Cu cât se introduce mai mult aer în balonul de cauciuc, cu atât balonul este mai umflat. Cu alte cuvinte, cu cât masa de gaz este mai mare, cu atât volumul balonului este mai mare. Putem spune că masa de gaz (m) este direct proporțională cu volumul de gaz (V).
Numărul de moli (n)
1 mol = masa unei substanțe egală cu masa moleculară a substanței. Masa și masa moleculară a oxigenului sunt diferite.
Exemplul 1, masa moleculară a oxigenului (O2 ) = 16 u + 16 u = 32 u (fiecare moleculă de oxigen conține 2 atomi de oxigen, unde fiecare atom de oxigen are masa de 16 u). Astfel, 1 mol de O2 are o masă de 32 de grame. Sau masa moleculară a O2 = 32 grame / mol = 32 kg/kmol.
Exemplul 2, masa moleculară a gazului de monoxid de carbon (CO) = 12 u + 16 u = 28 u (fiecare moleculă de monoxid de carbon conține 1 atom de carbon (C) și 1 atom de oxigen (O). Masa unui atom de carbon = 12 u și masa unui atom de oxigen = 16 u. 12 u + 16 u = 28 u). Astfel, 1 mol de CO are o masă de 28 de grame. Sau masa moleculară a CO = 28 grame/mol = 28 kg/kmol.
Exemplul 3, masa moleculară a gazului de dioxid de carbon (CO2) = [12 u + (2 x 16 u)] = [12 u + 32 u] = 44 u (fiecare moleculă de dioxid de carbon conține 1 atom de carbon (C) și 2 atomi de oxigen (O). Masa unui atom de carbon = 12 u, iar masa unui atom de oxigen = 16 u). Astfel, 1 mol de CO2 are o masă de 44 de grame. Sau masa moleculară a CO2 = 44 grame/mol = 44 kg/kmol.
Numărul de moli (n) ai unei substanțe = raportul masic dintre substanță și masa sa moleculară. Matematic:
Întrebare 1:
Calculați numărul de moli la 64 g de O2
Masa de O2 = 64 grame
Masa moleculară a O2 = 32 grame/mol
Întrebare 2:
Calculați numărul de moli la 280 grame de CO2
Masa CO = 280 grame
Masa moleculară a CO = 28 grame/mol
Întrebare 3:
Calculați numărul de moli la 176 grame de CO2
Masa CO2 = 176 grame
Masa moleculară a CO2 = 44 grame/mol
Constante universale ale gazelor (R)
Pe baza cercetărilor efectuate de oamenii de știință, s-a constatat că, dacă numărul de moli (n) este utilizat pentru a exprima dimensiunea unei substanțe, atunci constanta de comparație pentru fiecare gaz are aceeași valoare. Constanta corespunzătoare este constanta universală a gazelor (R).
R = 8.315 J/mol K
= 8315 kJ / kmol. K
= 0.0821 (L.atm) / (mol. K)
= 1.99 cal / mol K
(J = Joule, K = Kelvin, L = litru, atm = atmosferă, cal = calorie)
LEGEA GAZELOR IDEALE (în numărul de moli)
Comparația de mai sus poate fi convertită în ecuații prin introducerea numărului de moli (n) și a constantelor universale ale gazelor (R).
PV = n RT
Această ecuație se numește legea gazelor ideale sau ecuația stării gazelor ideale.
P = presiunea gazului (N/ m² )
V = volumul de gaz ( m³ )
n = numărul de moli (mol)
R = constante universale ale gazelor (R = 8.315 J/mol K)
T = temperatura absolută a gazului (K)
În rezolvarea problemei, veți găsi termenul STP. STP reprezintă temperatura și presiunea standard.
Temperatura standard (T) = 0 ° C = 273 K
Presiune standard (P) = 1 atm = 1.013 x 10⁵ N / m² = 1.013 x 10² kPa = 101 kPa
În rezolvarea problemelor legate de legile gazelor, temperatura trebuie exprimată pe scara Kelvin (K). Dacă presiunea gazului este încă o presiune de măsurat, schimbați-o mai întâi în presiune absolută. Presiunea absolută = presiunea atmosferică + presiunea de măsurat. Dacă valoarea cunoscută este presiunea atmosferică (nu se măsoară presiunea), rezolvați problema.
Întrebare 1:
La presiunea atmosferică (101 kPa), temperatura dioxidului de carbon gazos = 20 ° C, iar volumul său = 2 litri. Dacă presiunea este convertită la 201 kPa și temperatura este crescută la 40 °C, calculați volumul final al dioxidului de carbon gazos.
Soluţie
P1 = 101 kPa
P2 = 201 kPa
T1 = 20 ° C + 273 K = 293 K
T2 = 40 ° C + 273 K = 313 K
V1 = 2 litri
Întrebare 2:
Determinați volumul a 2 moli de gaz la temperatura camerei (acest gaz este gazul ideal)
Soluţie
Întrebare 3:
Volumul de oxigen gazos la STP = 20 m³ . Calculați masa de oxigen gazos.
Soluţie
Volumul unui mol de gaz la STP = 22.4 litri = 22.4 dm³ = 22.4 x 10⁻³ m³ (22.4 x 10⁻³ m³ / mol )
Volumul de oxigen gazos la STP = 20 m³
Masa moleculelor de oxigen = 32 grame / mol (masa a 1 mol de oxigen = 32 grame). Astfel, masa oxigenului gazos este:
masa (m) = numărul de moli (n) x masa moleculară
masă = (893 mol) x (32 grame / mol) = 28576 grame = 28.576 kg
Întrebare 4:
Un rezervor conține 4 litri de oxigen (O2 ) . Temperatura oxigenului este = 20 ° C, iar presiunea măsurată este = 20 x 10⁵ N /m2 . Determinați masa oxigenului ( masa moleculară a oxigenului = 32 kg/kmol = 32 grame/mol).
Soluţie
P = P atm + P măsurat = (1 x 10⁵ N /m² ) + (20 x 10⁵ N /m² ) = 21 x 10⁵ N / m²
T = 20 ° C + 273°C = 293°K
V = 4 litri = 4 dm³ = 4 x 10⁻³ m³
R = 8.315 J/mol. K = 8.315 Nm/mol. K
Masa moleculară a oxigenului = 32 kg/kmol = 32 grame/mol
Masa de O2?
LEGEA GAZELOR IDEALE (În numărul de molecule)
Dacă exprimăm dimensiunea substanței nu sub formă de masă (m), ci în număr de moli (n), atunci constanta universală a gazelor (R) se aplică tuturor gazelor. A fost descoperită pentru prima dată de Amadeo Avogadro (1776-1856), un om de știință italian.
Avogadro a spus că atunci când volumul, presiunea și temperatura fiecărui gaz sunt egale, fiecare gaz are același număr de molecule.
Ipoteza Avogadro corespunde faptului că constanta R este aceeași pentru toate gazele. Iată câteva demonstrații:
În primul rând, dacă rezolvăm problema folosind ecuația legii gazelor ideale (PV = nRT), vom constata că atunci când numărul de moli (n) este egal,
Dacă presiunea și temperatura sunt, de asemenea, similare, atunci volumul tuturor gazelor va fi același dacă folosim constantele universale ale gazelor R = 8.315 J / mol. K). În STP, orice gaz având același număr de moli (n) va avea același volum. Volumul a 1 mol de gaz la STP = 22.4 litri. Volumul a 2 moli de gaz = 44.8 litri. Volumul a 3 moli de gaz = 67.2 litri. Și așa mai departe. Acest lucru se aplică tuturor gazelor.
În al doilea rând, numărul de molecule dintr-un mol este același pentru toate gazele. Numărul de molecule dintr-un mol = numărul de molecule per mol = numărul Avogadro (NA). Deci, numărul Avogadro este același pentru toate gazele.
Numărul lui Avogadro obținut prin măsurare:
NA = 6.02 x 10²³ molecule / mol
Pentru a obține numărul total de molecule (N), înmulțiți numărul de molecule per mol (N A ) cu numărul de moli (n).
Numărul total de molecule (N) = numărul de molecule per mol (N A ) x numărul de moli (n)
P = Presiune, V = Volum, N = Număr total de molecule, k = Constanta Boltzmann (k = 1.38 x 10⁻²⁺ J / K), T = Temperatură
Unități de volum
1 litru (L) = 1000 mililitri (mL) = 1000 centimetri cubi ( cm³ )
1 litru (L) = 1 decimetru cub (dm³ ) = 1 x 10⁻³ m³
Unități de presiune
1 N/m² = 1 Pa
1 atm = 1.013 x 10⁵ N /m² = 1.013 x 10⁵ Pa = 1.013 x 10⁶ kPa = 101.3 kPa (de obicei se folosește 101 kPa)
Pa = pascal
atm = atmosferă
