理想気体の法則

ガスは、単に物質の分散したサンプルであり、流体であり、利用可能なスペースを占めるために自由に膨張します。ただし、一定数のガス分子は、定義された温度と圧力の下で特定の体積を占めます。これらのパラメータの下での気体の振る舞いは、万能気体定数Rを使用してこれらすべての変数を関連付ける理想気体の法則を使用して記述できます。

万能ガス定数は、モルケルビンあたり8.314ジュールに相当します。この方程式により、気体系の状態関係を理解することができます。たとえば、温度と圧力が一定のシステムでは、ガスのモルが増えると体積が増加することがわかっています。同様に、温度とモル数が一定であるシステムを見ると、体積が減少すると圧力が上昇することがわかります。

1つの課題は、理想気体の法則が気体が理想的に振る舞うことを説明していることです。では、それはどういう意味ですか?理想的な振る舞いは、まず、分子自体が無限に小さく、本質的に体積がなく、分子間の距離が個々の分子のサイズよりも大幅に大きいことを前提としています。

次に、分子は常に動いていると仮定します。分子間で発生する衝突は弾性があり、その動きは摩擦がないため、分子はエネルギーを失うことはありません。最後に、分子とその周囲との間には分子間力が作用していないと仮定します。

残念ながら、ほとんどのガスは理想的には動作しません。非常に低い温度または高圧では、分子は非常に接近し、ゆっくりと移動するため、分子間相互作用が重要になります。同様に、高分子量のガスは、サイズと質量が大きいため、相互作用が増加します。ただし、理想気体関係は、一般的には適切な近似値として機能します。

では、理想気体の法則をどのように使用して、実験室でのガスの挙動を研究するのでしょうか。一般的に、圧力、体積、温度はより簡単に測定できますが、モル数、ひいては質量についてはどうでしょうか。

ガスの質量を測定する最も簡単な方法の1つは、デュマ法です。このテストを実行するには、液相の少量の揮発性化合物をデュマチューブ内に入れ、チューブを沸騰水に入れます。

揮発性化合物は、室温で高い蒸気圧を示します。蒸気圧は、液相と平衡状態にある蒸気によって加えられる圧力です。したがって、蒸気圧が高い揮発性化合物は、液体から気体に急速に移行します。

これが発生すると、新しく形成されたガスがデュマチューブから空気を押し出し、ガスだけで満たされます。チューブをウォーターバスから取り出して室温にすると、ガスは凝縮して再び液体を形成します。質量が保存されるため、凝縮した液体の質量は、デュマ管の既知の体積を満たしたガスの質量に等しいことがわかります。

このラボでは、デュマ法を使用して未知の揮発性物質のモル質量を決定することにより、理想気体の法則を調査します。次に、システムの温度、圧力、体積を測定し、このガスが