5.3: Zastosowania prawa gazu doskonałego: masa molowa, gęstość i objętość

Objętość zajmowana przez jeden mol substancji to jej objętość molowa. Prawo gazu doskonałego, PV = nRT, sugeruje,  że objętość danej ilości gazu i liczba moli w danej objętości gazu zmieniają się wraz ze zmianami ciśnienia i temperatury. W standardowej temperaturze i ciśnieniu lub STP (273,15 K i 1 atm), jeden mol gazu doskonałego (niezależnie od jego tożsamości) ma objętość około 22,4 l – jest to określane jako standardowa objętość molowa.

Na przykład po jednym molu wodoru, tlenu, argonu lub dwutlenku węgla zajmuje 22,4 litra w STP. Oznacza to, że 0,5 mola dowolnego gazu w STP zajmuje objętość 11,2 l, a podobnie 2 mole dowolnego gazu w STP zajmuje objętość 44,8 l.

Prawo gazu doskonałego jest uniwersalne i odnosi się do ciśnienia, objętości, liczby moli i temperatury gazu, niezależnie od jego tożsamości chemicznej:

Z drugiej strony gęstość d gazu jest określona przez jego tożsamość. Gęstość to stosunek masy do objętości. Przegrupowanie równania gazu doskonałego w celu wyizolowania V i podstawienie go do równania gęstości daje:

Stosunek m/n, czyli masa do moli, to definicja masy molowej, M:

Równanie gęstości można następnie zapisać jako

To równanie mówi nam, że gęstość gazu jest wprost proporcjonalna do ciśnienia i masy molowej oraz odwrotnie proporcjonalna do temperatury. Na przykład CO₂ (masa molowa = 44 g/mol) jest cięższy niż N₂ (masa molowa = 28 g/mol) lub O₂ (masa molowa = 32 g/mol), a zatem jest gęstszy niż powietrze. Z tego powodu CO₂ uwalniany z gaśnicy CO₂ otula pożar, uniemożliwiając O₂ dotarcie do materiału palnego. Zjawisko unoszenia balonów na ogrzane powietrze zależy od zależności, że gazy o jednakowych masach molowych (takie jak powietrze) mają mniejszą gęstość w wyższych temperaturach, a zatem balony na ogrzane powietrze mogą unosić się w powietrzu.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 9.3: Stechiometria substancji gazowych, mieszanin i reakcji.