Plyn je stav hmoty bez definovaného tvaru alebo objemu. plyny majú svoje jedinečné správanie v závislosti od rôznych premenných, ako sú teplota, tlak a objem. Aj keď je každý plyn iný, všetky plyny pôsobia v podobnej veci. Táto študijná príručka zdôrazňuje koncepty a zákony týkajúce sa chémie plynov.
Tlak je a miera množstvo sily na jednotku plochy. Tlak plynu je množstvo sily, ktorú plyn vyvíja na povrchu v rámci svojho objemu. Plyny s vysokým tlakom vyvíjajú väčšiu silu ako plyn s nízkym tlakom.
SI jednotka tlaku je pascal (Symbol Pa). Pascal sa rovná sile 1 newton na meter štvorcový. Táto jednotka nie je veľmi užitočná pri zaobchádzaní s plynmi v podmienkach skutočného sveta, ale je to norma, ktorú je možné merať a reprodukovať. Postupom času sa vyvinulo mnoho ďalších tlakových jednotiek, ktoré sa väčšinou zaoberajú plynom, ktorý poznáme: vzduch. Problém so vzduchom, tlak nie je konštantný. Tlak vzduchu závisí od nadmorskej výšky a od mnohých ďalších faktorov. Mnoho jednotiek tlaku bolo pôvodne založené na priemernom tlaku vzduchu na hladine mora, ale stalo sa štandardizovaným.
Teplota je vlastnosť hmoty súvisiaca s množstvom energie častíc častíc.
Na meranie tohto množstva energie bolo vyvinutých niekoľko teplotných stupníc, ale štandardná stupnica SI je Kelvinská teplotná stupnica. Dve ďalšie bežné teplotné stupnice sú stupnice Fahrenheita (° F) a Celzia (° C).
Kelvinova stupnica je absolútna teplotná stupnica a používa sa takmer vo všetkých výpočtoch plynu. Pri práci s problémami s plynom je dôležité konvertovať hodnoty teploty Kelvinovi.
Vzorce prepočtu medzi teplotnými stupnicami:
K = ° C + 273,15
° C = 5/9 (° F - 32)
° F = 9/5 ° C + 32
STP znamená štandardná teplota a tlak. Vzťahuje sa na podmienky pri tlaku 1 atmosféry pri 273 K (0 ° C). STP sa bežne používa pri výpočtoch týkajúcich sa hustoty plynov alebo v iných prípadoch, ktoré sa týkajú štandardné podmienky štátu.
V STP zaberie mól ideálneho plynu objem 22,4 l.
Daltonov zákon uvádza celkový tlak zmesi plynov rovný súčtu všetkých jednotlivých tlakov samotných zložiek plynov.
PCelkom = PPlyn 1 + PPlyn 2 + PPlyn 3 + ...
Individuálny tlak komponentného plynu je známy ako parciálny tlak plynu. Čiastočný tlak sa vypočíta podľa vzorca
Pja = XjaPCelkom
kde
Pja = parciálny tlak jednotlivého plynu
PCelkom = celkový tlak
Xja = molárny zlomok jednotlivého plynu
Molárna frakcia Xjasa vypočíta vydelením počtu mólov jednotlivého plynu celkovým počtom mólov zmiešaného plynu.
Avogadrov zákon uvádza, že objem plynu je priamo úmerný počet krtkov plynu, keď tlak a teplota zostávajú konštantné. V zásade: Plyn má objem. Ak sa tlak a teplota nezmenia, pridajte viac plynu, plyn spotrebuje väčší objem.
V = kn
kde
V = objem k = konštanta n = počet mólov
Avogadrov zákon možno tiež vyjadriť ako
Vja/ nja = VF/ nF
kde
Vja a VF sú počiatočné a konečné zväzky
nja a nF sú počiatočný a konečný počet mólov
Boyleov zákon o plyne uvádza, že objem plynu je nepriamo úmerný tlaku, keď je teplota udržiavaná konštantná.
P = k / V
kde
P = tlak
k = konštanta
V = objem
Boyleho zákon možno tiež vyjadriť ako
PjaVja = PFVF
kde Pja a PF sú počiatočný a konečný tlak Vja a VF sú počiatočný a konečný tlak
Keď sa objem zvyšuje, tlak klesá alebo sa zmenšuje objem, tlak sa zvyšuje.
Charlesov zákon o plyne uvádza, že objem plynu je úmerný jeho absolútnej teplote, keď je tlak udržiavaný konštantný.
V = kT
kde
V = objem
k = konštanta
T = absolútna teplota
Karlov zákon sa dá vyjadriť aj ako
Vja/ Tja = VF/ Tja
kde Vja a VF sú počiatočné a konečné zväzky
Tja a TF sú počiatočné a konečné absolútne teploty
Ak sa tlak udržuje konštantný a teplota sa zvyšuje, objem plynu sa zvýši. Keď sa plyn ochladí, objem sa zníži.
chlapík-Lussacov zákon o plyne uvádza, že tlak plynu je úmerný jeho absolútnej teplote, keď je objem udržiavaný konštantný.
P = kT
kde
P = tlak
k = konštanta
T = absolútna teplota
Guy-Lussacov zákon možno tiež vyjadriť ako
Pja/ Tja = PF/ Tja
kde Pja a PF sú počiatočný a konečný tlak
Tja a TF sú počiatočné a konečné absolútne teploty
Ak sa teplota zvýši, tlak plynu sa zvýši, ak sa objem udržuje konštantný. Keď sa plyn ochladí, tlak sa zníži.
Zákon o ideálnom plyne, tiež známy ako zákon o kombinovanom plyne, je kombináciou všetkých premenné v predchádzajúcich zákonoch o plyne. zákon o ideálnom plyne je vyjadrený vzorcom
PV = nRT
kde
P = tlak
V = objem
n = počet mólov plynu
R = ideálna plynová konštanta
T = absolútna teplota
Hodnota R závisí od jednotiek tlaku, objemu a teploty.
R = 0,0821 litra · atm / mol · K (P = atm, V = L a T = K)
R = 8,3145 J / mol · K (Tlak x Objem je energia, T = K)
R = 8,2057 m3· Atm / mol · K (P = atm, V = kubický meter a T = K)
R = 62,3637 L · Torr / mol · K alebo L · mmHg / mol · K (P = torr alebo mmHg, V = L a T = K)
Zákon o ideálnom plyne funguje dobre pre plyny za normálnych podmienok. Nepriaznivé podmienky zahŕňajú vysoké tlaky a veľmi nízke teploty.
Zákon o ideálnom plyne je dobrou aproximáciou správania skutočných plynov. Hodnoty predpokladané zákonom o ideálnom plyne sú zvyčajne do 5% nameraných hodnôt reálneho sveta. Zákon o ideálnom plyne zlyhá, keď je tlak plynu veľmi vysoký alebo je teplota veľmi nízka. Van der Waalsova rovnica obsahuje dve modifikácie zákona o ideálnom plyne a používa sa na presnejšiu predpoveď správania sa skutočných plynov.
Van der Waalsova rovnica je
(P + an2/ V2) (V - nb) = nRT
kde
P = tlak
V = objem
a = konštanta korekcie tlaku jedinečná pre plyn
b = objemová korekčná konštanta jedinečná pre plyn
n = počet mólov plynu
T = absolútna teplota
Van der Waalsova rovnica obsahuje korekciu tlaku a objemu, aby sa vzali do úvahy interakcie medzi molekulami. Na rozdiel od ideálnych plynov majú jednotlivé častice skutočného plynu navzájom interakcie a majú určitý objem. Pretože každý plyn je iný, každý plyn má svoje vlastné korekcie alebo hodnoty pre aab v van der Waalsovej rovnici.