Ideales Gasgesetz

Ein Gas ist einfach eine dispergierte Probe von Materie, die flüssig ist und sich frei ausdehnt, um den verfügbaren Raum einzunehmen. Eine bestimmte Anzahl von Gasmolekülen nimmt jedoch unter einer definierten Temperatur und einem definierten Druck ein bestimmtes Volumen ein. Wir können das Verhalten eines Gases unter diesen Parametern mit dem idealen Gasgesetz beschreiben, das die universelle Gaskonstante R verwendet, um alle diese Variablen in Beziehung zu setzen.

Die universelle Gaskonstante beträgt 8,314 Joule pro Mol Kelvin. Diese Gleichung ermöglicht es uns, die Zustandsbeziehungen in einem gasförmigen System zu verstehen. In einem System mit konstanter Temperatur und konstantem Druck wissen wir beispielsweise, dass die Zugabe von mehr Mol Gas zu einer Volumenzunahme führt. In ähnlicher Weise können wir ein System mit konstanter Temperatur und Mol betrachten und sehen, dass eine Abnahme des Volumens zu einer Erhöhung des Drucks führt.

Eine Herausforderung besteht darin, dass das ideale Gasgesetz das Verhalten von Gasen ideal beschreibt. Was meinen wir damit? Das ideale Verhalten geht davon aus, dass erstens die Moleküle selbst unendlich klein sind und im Wesentlichen kein Volumen haben und dass der Abstand zwischen den Molekülen deutlich größer ist als die Größe des einzelnen Moleküls.

Zweitens gehen wir davon aus, dass die Moleküle ständig in Bewegung sind. Alle Kollisionen, die zwischen den Molekülen auftreten, sind elastisch und ihre Bewegung ist reibungsfrei, was bedeutet, dass die Moleküle keine Energie verlieren. Schließlich gehen wir davon aus, dass zwischen den Molekülen und ihrer Umgebung keine intermolekularen Kräfte wirken.

Leider verhalten sich die meisten Gase nicht ideal. Bei sehr niedrigen Temperaturen oder hohem Druck liegen die Moleküle sehr dicht beieinander und bewegen sich langsam, so dass intermolekulare Wechselwirkungen von Bedeutung sind. In ähnlicher Weise kommt es bei Gasen mit einem hohen Molekulargewicht aufgrund ihrer Größe und Masse zu verstärkten Wechselwirkungen. Die ideale Gasbeziehung dient jedoch generell als gute Annäherung.

Wie können wir also das ideale Gasgesetz nutzen, um das Verhalten eines Gases im Labor zu untersuchen? Druck, Volumen und Temperatur lassen sich im Allgemeinen leichter messen, aber was ist mit Mol und damit auch mit der Masse?

Eine der einfachsten Möglichkeiten, die Masse eines Gases zu messen, ist die Dumas-Methode. Um diesen Test durchzuführen, wird eine kleine Menge einer flüchtigen Verbindung in ihrer flüssigen Phase in ein Dumas-Röhrchen gegeben, und das Röhrchen wird dann in kochendes Wasser gelegt.

Eine flüchtige Verbindung hat bei Raumtemperatur einen hohen Dampfdruck. Der Dampfdruck ist der Druck, der von einem Dampf ausgeübt wird, der sich im Gleichgewicht mit seiner flüssigen Phase befindet. So geht eine flüchtige Verbindung mit hohem Dampfdruck schnell von flüssig in gasförmig über.

Wenn dies geschieht, drückt das neu gebildete Gas die Luft aus der Dumas-Röhre, so dass sie ausschließlich mit Gas gefüllt ist. Sobald das Rohr aus dem Wasserbad genommen und bei Raumtemperatur belassen wird, kondensiert das Gas wieder zu einer Flüssigkeit. Da die Masse konserviert ist, wissen wir, dass die Masse der kondensierten Flüssigkeit gleich der Masse des Gases ist, das das bekannte Volumen der Dumas-Röhre gefüllt hat.

In diesem Labor erforschen Sie das ideale Gasgesetz, indem Sie die Dumas-Methode verwenden, um die Molmasse einer unbekannten flüchtigen Substanz zu bestimmen. Anschließend messen Sie die Temperatur, den Druck und das Volumen des Systems und sehen, wie stark dieses Gas von der Idealität abweicht.