Prawo gazu doskonałego

Gaz to po prostu rozproszona próbka materii, która jest płynna i swobodnie rozszerza się, aby zająć dostępną przestrzeń. Jednak pewna liczba cząsteczek gazu zajmuje określoną objętość w określonej temperaturze i ciśnieniu. Możemy opisać zachowanie gazu przy tych parametrach za pomocą prawa gazu doskonałego, które wykorzystuje uniwersalną stałą gazową R, aby powiązać wszystkie te zmienne.

Uniwersalna stała gazowa jest równa 8,314 dżuli na mol kelwinów. Równanie to pozwala nam zrozumieć zależności stanów w układzie gazowym. Na przykład w systemie o stałej temperaturze i ciśnieniu wiemy, że dodanie większej ilości moli gazu powoduje wzrost objętości. Podobnie możemy spojrzeć na system o stałej temperaturze i molach i zobaczyć, że zmniejszenie objętości powoduje wzrost ciśnienia.

Jednym z wyzwań jest to, że prawo gazu doskonałego opisuje, że gazy zachowują się idealnie. Co przez to rozumiemy? Idealne zachowanie zakłada, że po pierwsze, same cząsteczki są nieskończenie małe i zasadniczo nie mają objętości, a odległość między cząsteczkami jest znacznie większa niż rozmiar pojedynczej cząsteczki.

Po drugie, zakładamy, że cząsteczki są w ciągłym ruchu. Wszelkie zderzenia zachodzące między cząsteczkami są sprężyste, a ich ruch odbywa się bez tarcia, co oznacza, że cząsteczki nie tracą energii. Na koniec zakładamy, że między cząsteczkami a ich otoczeniem nie działają siły międzycząsteczkowe.

Niestety, większość gazów nie zachowuje się idealnie. W bardzo niskiej temperaturze lub pod wysokim ciśnieniem cząsteczki są bardzo blisko siebie i poruszają się powoli, więc oddziaływania międzycząsteczkowe są znaczące. Podobnie gazy o dużej masie cząsteczkowej doświadczają zwiększonych oddziaływań ze względu na ich duży rozmiar i masę. Jednak ogólnie rzecz biorąc, idealna zależność gazowa służy jako dobre przybliżenie.

Jak więc wykorzystać prawo gazu doskonałego do badania zachowania gazu w laboratorium? Ciśnienie, objętość i temperaturę są na ogół łatwiejsze do zmierzenia, ale co z molami, a co za tym idzie, masą?

Jednym z najprostszych sposobów pomiaru masy gazu jest metoda Dumasa. Aby wykonać ten test, niewielką ilość lotnego związku w fazie ciekłej umieszcza się w probówce Dumasa, a następnie probówkę umieszcza się we wrzącej wodzie.

Lotny związek ma wysoką prężność pary w temperaturze pokojowej. Prężność pary to ciśnienie wywierane przez parę w równowadze z jej fazą ciekłą. W ten sposób lotny związek o wysokiej prężności pary szybko przechodzi z cieczy w gaz.

Kiedy tak się dzieje, nowo powstały gaz wypycha powietrze z rurki Dumasa tak, że jest ona wypełniona wyłącznie gazem. Po wyjęciu rurki z łaźni wodnej i pozostawieniu w temperaturze pokojowej, gaz skrapla się, tworząc ponownie ciecz. Ponieważ masa jest zachowana, wiemy, że masa skondensowanej cieczy jest równa masie gazu, który wypełnił znaną objętość rurki Dumasa.

W tym laboratorium poznasz prawo gazu doskonałego, używając metody Dumasa do określenia masy molowej nieznanej substancji lotnej. Następnie zmierzysz temperaturę, ciśnienie i objętość systemu i zobaczysz, jak bardzo ten gaz odbiega od ideału.