가스는 단순히 유체이고 사용 가능한 공간을 차지하기 위해 자유롭게 팽창하는 분산된 물질 샘플입니다. 그러나 특정 수의 기체 분자는 정의된 온도와 압력에서 특정 부피를 차지합니다. 이러한 매개변수에서 기체의 거동은 범용 기체 상수 R을 사용하여 이러한 모든 변수를 관련시키는 이상 기체 법칙을 사용하여 설명할 수 있습니다.
범용 기체 상수는 몰 켈빈당 8.314줄과 같습니다. 이 방정식을 통해 기체 시스템의 상태 관계를 이해할 수 있습니다. 예를 들어, 온도와 압력이 일정한 시스템에서 우리는 더 많은 몰의 가스를 추가하면 부피가 증가한다는 것을 알고 있습니다. 마찬가지로, 우리는 일정한 온도와 몰 시스템을 보고 부피의 감소가 압력의 증가로 이어진다는 것을 볼 수 있습니다.
한 가지 문제는 이상 기체 법칙이 기체가 이상적으로 행동하는 것을 설명한다는 것입니다. 그렇다면 이 말은 무슨 뜻일까요? 이상적인 행동은 첫째, 분자 자체가 무한히 작고 본질적으로 부피가 없으며 분자 사이의 거리가 개별 분자의 크기보다 훨씬 크다고 가정합니다.
둘째, 분자가 끊임없이 움직인다고 가정합니다. 분자 사이에서 발생하는 모든 충돌은 탄력적이며 마찰이 없어 분자가 에너지를 잃지 않습니다. 마지막으로, 우리는 분자와 그 주변 환경 사이에 작용하는 분자간 힘이 없다고 가정합니다.
불행히도 대부분의 가스는 이상적으로 작용하지 않습니다. 매우 낮은 온도 또는 높은 압력에서는 분자가 서로 매우 가깝고 느리게 움직이기 때문에 분자 간 상호 작용이 중요합니다. 마찬가지로, 고분자량을 가진 가스는 크기와 질량이 크기 때문에 상호 작용이 증가했습니다. 그러나 이상 기체 관계는 일반적으로 좋은 근사치로 작용합니다.
그렇다면 이상 기체 법칙을 사용하여 실험실에서 기체의 거동을 연구하는 방법은 무엇입니까? 압력, 부피 및 온도는 일반적으로 더 쉽게 측정할 수 있지만 몰, 더 나아가 질량은 어떻습니까?
기체의 질량을 측정하는 가장 간단한 방법 중 하나는 Dumas 방법을 사용하는 것입니다. 이 테스트를 수행하기 위해 액상의 소량의 휘발성 화합물을 Dumas 튜브 내부에 넣은 다음 튜브를 끓는 물에 넣습니다.
휘발성 화합물은 실온에서 높은 증기압을 갖습니다. 증기압은 증기가 액상과 평형을 이루는 압력입니다. 따라서 증기압이 높은 휘발성 화합물은 액체에서 기체로 빠르게 전환됩니다.
이런 일이 발생하면 새로 형성된 가스는 Dumas 튜브에서 공기를 밀어내어 가스로만 채워집니다. 튜브를 수조에서 제거하고 실온에 두면 가스가 응축되어 다시 액체를 형성합니다. 질량이 보존되기 때문에 응축된 액체의 질량이 Dumas 튜브의 알려진 부피를 채운 가스의 질량과 같다는 것을 알고 있습니다.
이 실험실에서는 Dumas 방법을 사용하여 알려지지 않은 휘발성 물질의 몰 질량을 측정함으로써 이상 기체 법칙을 탐구합니다. 그런 다음 시스템의 온도, 압력 및 부피를 측정하고 이 가스가 이상에서 얼마나 벗어나는지 확인합니다.
At the end of this lab, students should know...
기체는 물질의 기본 상태로, 분자 사이에 상당한 거리를 두고 있는 분자의 집합체입니다. 가스는 압축성이 높으며 밀도가 가장 낮은 물질 상태입니다.
압력과 부피는 서로 반비례하고, 부피와 온도는 서로 비례하고, 압력과 온도는 서로 비례하며, 몰 수와 부피는 서로 비례합니다.
이상 기체 법칙은 이상 기체 상수를 사용하여 압력, 부피, 몰 수 및 온도와 관련됩니다.
van der Waals 수정 기체 법칙은 분자 크기, 분자 간 힘 및 부피를 고려하여 이상적인 동작에서 벗어나는 실제 가스를 정의합니다.
이상 기체 법칙은 (1) 분자 간의 충돌이 탄력적이고 운동이 마찰이 없으며, (2) 기체 분자의 총 부피가 기체가 차지하는 부피보다 몇 배 작고, (3) 분자 또는 그 주변 사이에 작용하는 분자간 힘이 없으며, (4) 분자가 지속적으로 움직인다고 가정합니다. 그리고 두 분자 사이의 거리는 개별 분자의 크기보다 훨씬 큽니다.
출처: Smaa Koraym at Johns Hopkins University, MD, USA
여기에서는 10명의 학생이 짝을 지어 작업하는 실험실 준비 과정을 보여주며, 약간의 과잉이 있습니다. 필요에 따라 수량을 조정하십시오.
| 1 500mL 삼각 플라스크 |
| 1 500mL 뷔히너 플라스크 |
| 1 400mL 비커 |
| 1 100mL 비커 |
| 1 랩 스탠드 |
| 1 3구 클램프 |
| 와이어 거즈의 사각형이 있는 1개의 링 고정 장치 |
| 1 분젠 버너 및 파이어 스트라이커 |
| 2 18인치 길이의 라텍스 튜빙 |
| 1 18인치 길이의 실리콘 튜빙 |
| 1 온도계 및 온도계 클램프 |
| 1 단일 구멍 #4 고무 마개 |
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