Gaas on mateeria olek, millel pole määratletud kuju ega mahtu. Gaasid neil on oma unikaalne käitumine, mis sõltub paljudest muutujatest, nagu temperatuur, rõhk ja ruumala. Kuigi iga gaas on erinev, toimivad kõik gaasid sarnases asjas. Selles õppejuhendis tuuakse välja gaaside keemiaga seotud mõisted ja seadused.
Rõhk on a meede jõu suurus pindalaühiku kohta. Gaasi rõhk on jõu kogus, mida gaas avaldab pinnale mahu piires. Kõrgsurvegaasid avaldavad suuremat jõudu kui madala rõhuga gaasid.
SI rõhuühik on pascal (sümbol Pa). Pascal võrdub jõuga 1 njuuton ruutmeetri kohta. See seade pole eriti kasulik gaasi käsitlemisel reaalsetes tingimustes, kuid see on standard, mida saab mõõta ja taasesitada. Aja jooksul on välja arenenud paljud muud rõhuallikad, käsitledes enamasti gaasi, mida me kõige paremini tunneme: õhku. Probleem õhus, rõhk pole püsiv. Õhurõhk sõltub kõrgusest merepinnast ja paljudest muudest teguritest. Paljud rõhuühikud põhinesid algselt keskmisel õhurõhul merepinnal, kuid on muutunud standardiseeritud.
Temperatuur on aine omadus, mis on seotud komponentide osakeste energiahulgaga.
Selle energiakoguse mõõtmiseks on välja töötatud mitu temperatuuriskaalat, kuid SI standardskaala on: Kelvini temperatuuriskaala. Kaks muud tavalist temperatuuriskaalat on Fahrenheiti (° F) ja Celsiuse (° C) skaalad.
Kelvini skaala on absoluutne temperatuuriskaala ja seda kasutatakse peaaegu kõigis gaasi arvutustes. Gaasiprobleemidega töötamisel on oluline teisendada temperatuuri näidud Kelvinile.
Temperatuuri skaalade vahelised teisendusvalemid:
K = ° C + 273,15
° C = 5/9 (° F - 32)
° F = 9/5 ° C + 32
STP tähendab standardtemperatuur ja rõhk. See osutab tingimustele rõhu 1 atmosfääris temperatuuril 273 K (0 ° C). STP-d kasutatakse tavaliselt gaaside tihedusega seotud arvutustes või muudel juhtudel gaaside tihedusega seotud arvutustes standardsed olekutingimused.
STP-s täidab ideaalse gaasi mool 22,4 liitrit.
Daltoni seadus avaldab gaasisegu üldrõhu, mis on võrdne ainult komponentide gaaside kõigi üksikute rõhkude summaga.
Lkkokku = PGaas 1 + PGaas 2 + PGaas 3 + ...
Komponendigaasi individuaalne rõhk on teada osarõhuna gaasi. Osarõhk arvutatakse valemi abil
Lki = XiLkkokku
kus
Lki = üksiku gaasi osarõhk
Lkkokku = kogu rõhk
Xi = üksiku gaasi mooliosa
Moolifraktsioon Xi, arvutatakse jagades üksiku gaasi moolide arv segagaasi moolide koguarvuga.
Avogadro seadus väidab, et gaasi maht on otseselt võrdeline moolide arv gaasi, kui rõhk ja temperatuur püsivad muutumatuna. Põhimõtteliselt: gaasil on maht. Lisage rohkem gaasi, kui rõhk ja temperatuur ei muutu, võtab gaas rohkem mahtu.
V = kn
kus
V = ruumala k = konstant n = moolide arv
Avogadro seadust saab väljendada ka järgmiselt
Vi/ ni = Vf/ nf
kus
Vi ja Vf on alg- ja lõppmaht
ni ja nf on moolide esialgne ja lõplik arv
Boyle'i gaasiseadus väidab, et gaasi maht on pöördvõrdeline rõhuga, kui temperatuuri hoitakse konstantsena.
P = k / V
kus
P = rõhk
k = konstant
V = maht
Boyle'i seadust saab väljendada ka järgmiselt
LkiVi = PfVf
kus Pi ja Pf on alg- ja lõpprõhk Vi ja Vf on alg- ja lõpurõhk
Mahu suurenemisel rõhk väheneb või mahu vähenedes rõhk suureneb.
Charlesi gaasiseadus väidab, et gaasi maht on võrdeline selle absoluutse temperatuuriga, kui rõhku hoitakse konstantsena.
V = kT
kus
V = maht
k = konstant
T = absoluutne temperatuur
Charlesi seadust saab väljendada ka järgmiselt
Vi/ Ti = Vf/ Ti
kus Vi ja Vf on alg- ja lõppmaht
Ti ja Tf on alg- ja lõplikud absoluuttemperatuurid
Kui rõhku hoitakse konstantsena ja temperatuur tõuseb, suureneb gaasi maht. Gaasi jahtudes maht väheneb.
Kutt-Lussaci gaasiseadus väidab, et gaasi rõhk on võrdeline selle absoluutse temperatuuriga, kui ruumala hoitakse konstantsena.
P = kT
kus
P = rõhk
k = konstant
T = absoluutne temperatuur
Guy-Lussaci seadust saab väljendada ka järgmiselt
Lki/ Ti = Pf/ Ti
kus Pi ja Pf on alg- ja lõpurõhk
Ti ja Tf on alg- ja lõplikud absoluuttemperatuurid
Kui temperatuur tõuseb, suureneb gaasi rõhk, kui mahtu hoitakse konstantsena. Gaasi jahtudes rõhk väheneb.
Ideaalne gaasiseadus, ka teada kui kombineeritud gaasi seadus, on kombinatsioon kõigist muutujad varasemates gaasiseaduses. ideaalse gaasi seadus väljendatakse valemiga
PV = nRT
kus
P = rõhk
V = maht
n = gaasi moolide arv
R = ideaalne gaasi konstant
T = absoluutne temperatuur
R väärtus sõltub rõhu, ruumala ja temperatuuri ühikutest.
R = 0,0821 liitrit · atm / mol · K (P = atm, V = L ja T = K)
R = 8,3145 J / mol · K (rõhk x maht on energia, T = K)
R = 8,2057 m3· Atm / mol · K (P = atm, V = kuupmeeter ja T = K)
R = 62,3637 L · Torr / mol · K või L · mmHg / mol · K (P = torr või mmHg, V = L ja T = K)
Ideaalne gaasiseadus töötab hästi normaalsetes tingimustes kasutatavate gaaside puhul. Ebasoodsate tingimuste hulka kuuluvad kõrge rõhk ja väga madal temperatuur.
Ideaalse gaasi seadus on hea lähenemisviis tegelike gaaside käitumisele. Ideaalse gaasi seadusega ennustatud väärtused jäävad tavaliselt mõõdetud tegeliku maailma väärtustest 5% piiresse. Ideaalse gaasi seadus ebaõnnestub, kui gaasi rõhk on väga kõrge või temperatuur on väga madal. Van der Waalsi võrrand sisaldab kaht ideaalgaasi seaduse modifikatsiooni ja seda kasutatakse tegelike gaaside käitumise täpsemini ennustamiseks.
Van der Waalsi võrrand on
(P + an2/ V2) (V - nb) = nRT
kus
P = rõhk
V = maht
a = gaasi ainulaadne rõhu korrigeerimise konstant
b = gaasi ainulaadne mahu paranduse konstant
n = gaasi moolide arv
T = absoluutne temperatuur
Van der Waalsi võrrand sisaldab rõhu ja mahu korrektsiooni, et võtta arvesse molekulide vastastikmõjusid. Erinevalt ideaalsetest gaasidest on reaalse gaasi üksikud osakesed üksteisega interaktsioonis ja neil on kindel maht. Kuna iga gaas on erinev, on igal gaasil van der Waalsi võrrandis a ja b jaoks oma korrektsioonid või väärtused.