Sprievodca štúdiom plynov

Príručka pre štúdium chémie pre plyny

Plyn je stav hmoty bez definovaného tvaru alebo objemu. plynov majú svoje vlastné jedinečné správanie v závislosti od rôznych premenných, ako je teplota, tlak a objem. Zatiaľ čo každý plyn je iný, všetky plyny pôsobia v podobnej hmote. Táto študijná príručka zdôrazňuje pojmy a zákony týkajúce sa chémie plynov.

Vlastnosti plynu

Plynový balón. Paul Taylor, Getty Images

Plyn je a stav hmoty . Častice, ktoré tvoria plyn, sa môžu líšiť z jednotlivých atómov do komplexné molekuly . Niektoré ďalšie všeobecné informácie o plynoch:

• Plyny nadobúdajú tvar a objem svojej nádoby.
• Plyny majú nižšie hustoty ako ich tuhé alebo kvapalné fázy.
• Plyny sa ľahšie stláčajú ako ich tuhé alebo kvapalné fázy.
• Plyny sa úplne a rovnomerne premiešajú, keď budú obmedzené na rovnaký objem.
• Všetky prvky v skupine VIII sú plyny. Tieto plyny sú známe ako vzácnych plynov .
• Prvky, ktoré sú pri izbovej teplote a normálnom tlaku plyny, sú všetky nekovy .

Tlak

Tlak je a miera množstvo sily na jednotku plochy. Tlak plynu je veľkosť sily, ktorou plyn pôsobí na povrch vo svojom objeme. Plyny s vysokým tlakom vyvíjajú väčšiu silu ako plyny s nízkym tlakom.
The ÁNO jednotka tlaku je pascal (symbol Pa). Pascal sa rovná sile 1 newton na meter štvorcový. Táto jednotka nie je veľmi užitočná pri práci s plynmi v skutočných podmienkach, ale je to štandard, ktorý je možné merať a reprodukovať. Postupom času sa vyvinulo mnoho ďalších tlakových jednotiek, ktoré sa väčšinou zaoberajú plynom, ktorý poznáme najviac: vzduchom. Problém so vzduchom, tlak nie je konštantný. Tlak vzduchu závisí od nadmorskej výšky a mnohých ďalších faktorov. Mnohé jednotky tlaku boli pôvodne založené na priemernom tlaku vzduchu na úrovni mora, ale stali sa štandardizovanými.

Teplota

Teplota je vlastnosť hmoty súvisiaca s množstvom energie častíc zložky.
Na meranie tohto množstva energie bolo vyvinutých niekoľko teplotných stupníc, ale štandardná stupnica SI je tá Kelvinova teplotná stupnica . Dve ďalšie bežné teplotné stupnice sú stupnice Fahrenheita (°F) a Celzia (°C).
The Kelvinova stupnica je absolútna teplotná stupnica a používa sa takmer vo všetkých výpočtoch plynu. Pri práci s problémami s plynom je dôležité previesť údaje o teplote do Kelvina.
Vzorce na prevod medzi teplotnými stupnicami:
K = °C + 273,15
°C = 5/9 (°F - 32)
°F = 9/5 °C + 32

STP - Štandardná teplota a tlak

STP znamená štandardná teplota a tlak. Vzťahuje sa na podmienky pri tlaku 1 atmosféra pri 273 K (0 °C). STP sa bežne používa pri výpočtoch týkajúcich sa hustoty plynov alebo v iných prípadoch štandardné štátne podmienky .
Pri STP bude mól ideálneho plynu zaberať objem 22,4 l.

Daltonov zákon parciálnych tlakov

Daltonov zákon uvádza, že celkový tlak zmesi plynov sa rovná súčtu všetkých jednotlivých tlakov jednotlivých zložiek plynov.
P_Celkom= P_{plyn 1}+ P_{plyn 2}+ P_{plyn 3}+...
Individuálny tlak komponentného plynu je známy ako parciálny tlak plynu. Čiastočný tlak sa vypočíta podľa vzorca
P_i= X_iP_Celkom
kde
P_i= parciálny tlak jednotlivého plynu
P_Celkom= celkový tlak
X_i= molárny podiel jednotlivého plynu
Molárny zlomok, X_i, sa vypočíta vydelením počtu mólov jednotlivého plynu celkovým počtom mólov zmiešaného plynu.

Avogadrov zákon o plyne

Avogadrov zákon uvádza, že objem plynu je priamo úmerný počet krtkov plynu, keď tlak a teplota zostávajú konštantné. V podstate: Plyn má objem. Pridajte viac plynu, plyn zaberie väčší objem, ak sa tlak a teplota nezmenia.
V = kn
kde
V = objem k = konštanta n = počet mólov
Avogadrov zákon možno vyjadriť aj ako
V_i/n_i= V_f/n_f
kde
V_ia V_fsú počiatočné a konečné zväzky
n_ia n_fsú počiatočný a konečný počet mólov

Boyleov zákon o plyne

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 = volume
Boyleov zákon možno vyjadriť aj ako
P_iV_i= P_fV_f
kde P_ia P_fsú počiatočný a konečný tlak V_ia V_fsú počiatočné a konečné tlaky
Keď sa objem zvýši, tlak sa zníži, alebo keď sa objem zníži, tlak sa zvýši.

Charlesov zákon o plyne

Charlesov zákon o plyne uvádza, že objem plynu je úmerný jeho absolútnej teplote, keď je tlak udržiavaný konštantný.
V = kT
kde
V = volume
k = konštanta
T = absolútna teplota
Karolov zákon možno vyjadriť aj ako
V_i/T_i= V_f/T_i
kde V_ia V_fsú počiatočný a konečný zväzok
T_ia T_fsú počiatočné a konečné absolútne teploty
Ak sa tlak udržiava konštantný a teplota sa zvyšuje, objem plynu sa zvyšuje. Keď sa plyn ochladzuje, objem sa zníži.

Guy-Lussacov zákon o plyne

Chlap -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 vyjadriť aj ako
P_i/T_i= P_f/T_i
kde P_ia P_fsú počiatočné a konečné tlaky
T_ia T_fsú počiatočné a konečné absolútne teploty
Ak sa teplota zvýši, tlak plynu sa zvýši, ak sa objem udržiava konštantný. Keď sa plyn ochladí, tlak sa zníži.

Zákon ideálneho plynu alebo zákon o kombinovanom plyne

Zákon ideálneho plynu, tiež známy ako kombinovaný zákon o plyne , je kombináciou všetkých premenné v predchádzajúcich zákonoch o plyne . The zákon o ideálnom plyne sa vyjadruje vzorcom
PV = nRT
kde
P = tlak
V = volume
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 = kubické metre 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 ideálneho plynu funguje dobre pre plyny za normálnych podmienok. Medzi nepriaznivé podmienky patrí vysoký tlak a veľmi nízke teploty.

Kinetická teória plynov

Kinetická teória plynov je model na vysvetlenie vlastností ideálneho plynu. Model vychádza zo štyroch základných predpokladov:

1. Objem jednotlivých častíc tvoriacich plyn sa považuje za zanedbateľný v porovnaní s objemom plynu.
2. Častice sú neustále v pohybe. Zrážky medzi časticami a okrajmi nádoby spôsobujú tlak plynu.
3. Jednotlivé častice plynu na seba nepôsobia žiadnou silou.
4. Priemerná kinetická energia plynu je priamo úmerná absolútnej teplote plynu. Plyny v zmesi plynov pri určitej teplote budú mať rovnakú priemernú kinetickú energiu.

Priemerná kinetická energia plynu je vyjadrená vzorcom:
KE_ave= 3RT/2
kde
KE_ave= priemerná kinetická energia R = konštanta ideálneho plynu
T = absolútna teplota
The priemerná rýchlosť alebo stredná kvadratická rýchlosť jednotlivých častíc plynu možno nájsť pomocou vzorca
v_rms= [3RT/M]^1/2
kde
v_rms= priemer alebo základný priemer štvorcovú rýchlosť
R = konštanta ideálneho plynu
T = absolútna teplota
M = molárna hmotnosť

Hustota plynu

The hustota ideálneho plynu možno vypočítať pomocou vzorca
p = PM/RT
kde
ρ = hustota
P = tlak
M = molárna hmotnosť
R = konštanta ideálneho plynu
T = absolútna teplota

Grahamov zákon difúzie a výpotku

Grahamov zákon uvádza rýchlosť difúzie alebo efúzia plynu je nepriamo úmerná druhej odmocnine molárnej hmotnosti plynu.
r(M)^1/2= konštantný
kde
r = rýchlosť difúzie alebo výpotku
M = molárna hmotnosť
Rýchlosti dvoch plynov možno navzájom porovnať pomocou vzorca
r₁/r_dva= (M_dva)^1/2/(M₁)^1/2

Kráľovské plyny

Zákon ideálneho plynu je dobrou aproximáciou správania sa skutočných plynov. Hodnoty predpovedané zákonom o ideálnom plyne sú zvyčajne v rozmedzí 5 % nameraných hodnôt v reálnom svete. Zákon ideálneho plynu zlyhá, keď je tlak plynu veľmi vysoký alebo teplota je veľmi nízka. Van der Waalsova rovnica obsahuje dve modifikácie zákona o ideálnom plyne a používa sa na presnejšie predpovedanie správania sa skutočných plynov.
Van der Waalsova rovnica je
(P + an^dva/V^dva)(V - nb) = nRT
kde
P = tlak
V = volume
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 zahŕňa korekciu tlaku a objemu, aby sa zohľadnili interakcie medzi molekulami. Na rozdiel od ideálnych plynov majú jednotlivé častice skutočného plynu vzájomné interakcie a majú určitý objem. Pretože každý plyn je iný, každý plyn má svoje vlastné korekcie alebo hodnoty pre a a b vo van der Waalsovej rovnici.

Cvičný pracovný list a test

Otestujte si, čo ste sa naučili. Vyskúšajte tieto pracovné listy so zákonmi o plynoch, ktoré je možné vytlačiť:
Pracovný list o zákonoch o plyne
Pracovný list zákonov o plyne s odpoveďami
Pracovný list o zákonoch o plyne s odpoveďami a ukázanou prácou
K dispozícii je tiež a test plynárenskej praxe s odpoveďami k dispozícii.