Ένα αέριο είναι μια κατάσταση ύλης χωρίς συγκεκριμένο σχήμα ή όγκο. Αέρια έχουν τη δική τους μοναδική συμπεριφορά ανάλογα με μια ποικιλία μεταβλητών, όπως η θερμοκρασία, η πίεση και ο όγκος. Ενώ κάθε φυσικό αέριο είναι διαφορετικό, όλα τα αέρια δρουν σε ένα παρόμοιο θέμα. Αυτός ο οδηγός μελέτης υπογραμμίζει τις έννοιες και τους νόμους που ασχολούνται με τη χημεία των αερίων.
Η πίεση είναι a μέτρο του το μέγεθος της δύναμης ανά μονάδα επιφάνειας. Η πίεση ενός αερίου είναι η ποσότητα δύναμης που ασκεί το αέριο σε μια επιφάνεια μέσα στον όγκο του. Τα αέρια με υψηλή πίεση ασκούν μεγαλύτερη δύναμη από το αέριο με χαμηλή πίεση.
ο ΣΙ μονάδα πίεσης είναι το pascal (σύμβολο Pa). Το pascal είναι ίσο με τη δύναμη 1 newton ανά τετραγωνικό μέτρο. Αυτή η μονάδα δεν είναι πολύ χρήσιμη όταν πρόκειται για αέρια σε πραγματικές συνθήκες, αλλά είναι ένα πρότυπο που μπορεί να μετρηθεί και να αναπαραχθεί. Πολλές άλλες μονάδες πίεσης έχουν αναπτυχθεί με την πάροδο του χρόνου, οι οποίες ασχολούνται κυρίως με το φυσικό αέριο που είμαστε πιο εξοικειωμένοι με τον αέρα. Το πρόβλημα με τον αέρα, η πίεση δεν είναι σταθερή. Η πίεση του αέρα εξαρτάται από το υψόμετρο πάνω από τη στάθμη της θάλασσας και πολλούς άλλους παράγοντες. Πολλές μονάδες πίεσης βασίζονταν αρχικά σε μια μέση πίεση αέρα σε επίπεδο θάλασσας, αλλά έχουν τυποποιηθεί.
Η θερμοκρασία είναι μια ιδιότητα της ύλης που σχετίζεται με την ποσότητα ενέργειας των συστατικών σωματιδίων.
Για την μέτρηση αυτής της ποσότητας ενέργειας έχουν αναπτυχθεί αρκετές κλίμακες θερμοκρασίας, αλλά η βασική κλίμακα SI είναι η Κλίμακα θερμοκρασίας Kelvin. Δύο άλλες συνήθεις κλίμακες θερμοκρασίας είναι οι ζυγαριές Fahrenheit (° F) και Celsius (° C).
ο Κλίμακα Kelvin είναι μια κλίμακα απόλυτης θερμοκρασίας και χρησιμοποιείται σχεδόν σε όλους τους υπολογισμούς αερίου. Είναι σημαντικό όταν εργάζεστε με προβλήματα αερίου να μετατρέψετε τις ενδείξεις θερμοκρασίας στον Κέλβιν.
Τύποι μετατροπής μεταξύ ζυγών θερμοκρασίας:
Κ = ° C + 273,15
° C = 5/9 (° F - 32)
° F = 9/5 ° 0 + 32
Το STP σημαίνει τυπική θερμοκρασία και την πίεση. Αναφέρεται στις συνθήκες σε πίεση 1 ατμόσφαιρας στα 273 Κ (0 ° C). Το STP χρησιμοποιείται συνήθως στους υπολογισμούς που σχετίζονται με την πυκνότητα των αερίων ή σε άλλες περιπτώσεις που αφορούν τυπικές συνθήκες κατάστασης.
Στο STP, ένα mole του ιδανικού αερίου θα καταλαμβάνει όγκο 22,4 L.
Νόμος του Dalton δηλώνει ότι η ολική πίεση ενός μείγματος αερίων είναι ίση με το άθροισμα όλων των μεμονωμένων πιέσεων μόνο των συστατικών αερίων.
Πσύνολο = ΡΑέριο 1 + ΡΑέριο 2 + ΡΑέριο 3 + ...
Η ατομική πίεση του συστατικού αερίου είναι γνωστή ως τη μερική πίεση του αερίου. Η μερική πίεση υπολογίζεται από τον τύπο
ΠΕγώ = ΧΕγώΠσύνολο
που
ΠΕγώ = μερική πίεση του μεμονωμένου αερίου
Πσύνολο = ολική πίεση
ΧΕγώ = μοριακό κλάσμα του μεμονωμένου αερίου
Το κλάσμα mole, ΧΕγώ, υπολογίζεται διαιρώντας τον αριθμό των γραμμομορίων του μεμονωμένου αερίου με τον συνολικό αριθμό γραμμομορίων του μικτού αερίου.
Νόμος του Avogadro δηλώνει ότι ο όγκος ενός αερίου είναι ευθέως ανάλογος ο αριθμός των κρεατοελιτών του αερίου, όταν η πίεση και η θερμοκρασία παραμένουν σταθερές. Βασικά: Το αέριο έχει όγκο. Προσθέστε περισσότερο αέριο, το αέριο καταλαμβάνει περισσότερο όγκο αν η πίεση και η θερμοκρασία δεν αλλάξουν.
V = kn
που
V = όγκος k = σταθερή n = αριθμός γραμμομορίων
Ο νόμος του Avogadro μπορεί επίσης να εκφραστεί ως
VΕγώ/ nΕγώ = Vφά/ nφά
που
VΕγώ και Vφά είναι αρχικοί και τελικοί όγκοι
nΕγώ και ηφά είναι ο αρχικός και τελικός αριθμός των γραμμομορίων
Ο νόμος περί αερίου του Boyle δηλώνει ότι ο όγκος ενός αερίου είναι αντιστρόφως ανάλογος προς την πίεση όταν η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή.
P = k / V
που
P = πίεση
k = σταθερή
V = όγκος
Ο νόμος του Boyle μπορεί επίσης να εκφραστεί ως
ΠΕγώVΕγώ = ΡφάVφά
όπου PΕγώ και πφά είναι οι αρχικές και τελικές πιέσεις VΕγώ και Vφά είναι οι αρχικές και τελικές πιέσεις
Καθώς αυξάνεται ο όγκος, μειώνεται η πίεση ή μειώνεται ο όγκος, η πίεση αυξάνεται.
Ο νόμος περί αερίου του Καρόλου δηλώνει ότι ο όγκος ενός αερίου είναι ανάλογος της απόλυτης θερμοκρασίας του όταν η πίεση διατηρείται σταθερή.
V = kT
που
V = όγκος
k = σταθερή
T = απόλυτη θερμοκρασία
Ο νόμος του Καρόλου μπορεί επίσης να εκφραστεί ως
VΕγώ/ ΤΕγώ = Vφά/ ΤΕγώ
όπου VΕγώ και Vφά είναι οι αρχικοί και τελικοί όγκοι
ΤΕγώ και Τφά είναι οι αρχικές και τελικές απόλυτες θερμοκρασίες
Εάν η πίεση διατηρηθεί σταθερή και η θερμοκρασία αυξηθεί, η ποσότητα του αερίου θα αυξηθεί. Καθώς το αέριο δροσίζει, η ένταση θα μειωθεί.
Ο τύπος-Ο νόμος περί φυσικού αερίου του Λουζάκ δηλώνει ότι η πίεση ενός αερίου είναι ανάλογη της απόλυτης θερμοκρασίας του όταν ο όγκος διατηρείται σταθερός.
P = kT
που
P = πίεση
k = σταθερή
T = απόλυτη θερμοκρασία
Ο νόμος του Guy-Lussac μπορεί επίσης να εκφραστεί ως
ΠΕγώ/ ΤΕγώ = Ρφά/ ΤΕγώ
όπου PΕγώ και πφά είναι οι αρχικές και τελικές πιέσεις
ΤΕγώ και Τφά είναι οι αρχικές και τελικές απόλυτες θερμοκρασίες
Αν η θερμοκρασία αυξηθεί, η πίεση του αερίου θα αυξηθεί αν η ένταση είναι σταθερή. Καθώς το αέριο ψύχεται, η πίεση θα μειωθεί.
Ο ιδανικός νόμος περί αερίου, επίσης γνωστός όπως ο συνδυασμένος νόμος περί αερίου, είναι ένας συνδυασμός όλων των μεταβλητές στους προηγούμενους νόμους για το φυσικό αέριο. ο ιδανικό νόμο περί αερίου εκφράζεται από τον τύπο
PV = nRT
που
P = πίεση
V = όγκος
n = αριθμός γραμμομορίων αερίου
R = ιδανικό σταθερό αέριο
T = απόλυτη θερμοκρασία
Η τιμή του R εξαρτάται από τις μονάδες πίεσης, όγκου και θερμοκρασίας.
R = 0,0821 λίτρα · atm / mol · Κ (Ρ = atm, V = L και Τ = Κ)
R = 8.3145 J / mol · K (Πίεση x Όγκος είναι ενέργεια, Τ = Κ)
R = 8,2057 m3· Atm / mol · Κ (Ρ = atm, V = κυβικά μέτρα και Τ = Κ)
R = 62,3637 L · Torr / mol · Κ ή L · mmHg / mol · Κ (Ρ = torr ή mmHg, V = L και Τ = Κ)
Ο ιδανικός νόμος για το αέριο λειτουργεί καλά για τα αέρια υπό κανονικές συνθήκες. Οι δυσμενείς συνθήκες περιλαμβάνουν υψηλές πιέσεις και πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.
Ο ιδανικός νόμος για το αέριο είναι μια καλή προσέγγιση για τη συμπεριφορά των πραγματικών αερίων. Οι τιμές που προβλέπονται από τον ιδανικό νόμο για το αέριο είναι συνήθως εντός του 5% των μετρούμενων πραγματικών παγκόσμιων τιμών. Ο ιδανικός νόμος για το αέριο αποτυγχάνει όταν η πίεση του αερίου είναι πολύ υψηλή ή η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή. Η εξίσωση van der Waals περιέχει δύο τροποποιήσεις στον ιδανικό νόμο για το αέριο και χρησιμοποιείται για να προβλέψει προσεκτικότερα τη συμπεριφορά των πραγματικών αερίων.
Η εξίσωση van der Waals είναι
(P + an2/ V2) (V-nb) = nRT
που
P = πίεση
V = όγκος
a = σταθερά διόρθωσης πίεσης μοναδική στο αέριο
b = σταθερά διόρθωσης όγκου μοναδική για το αέριο
n = ο αριθμός των γραμμομορίων αερίου
T = απόλυτη θερμοκρασία
Η εξίσωση van der Waals περιλαμβάνει μια διόρθωση πίεσης και όγκου για να ληφθούν υπόψη οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ μορίων. Σε αντίθεση με τα ιδανικά αέρια, τα μεμονωμένα σωματίδια ενός πραγματικού αερίου έχουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους και έχουν καθορισμένο όγκο. Δεδομένου ότι κάθε αέριο είναι διαφορετικό, κάθε αέριο έχει τις δικές του διορθώσεις ή τιμές για τα a και b στην εξίσωση van der Waals.