Закон идеального газа

Газ — это просто дисперсный образец вещества, который является жидким и свободно расширяется, занимая доступное пространство. Однако определенное количество молекул газа занимает определенный объем при определенной температуре и давлении. Мы можем описать поведение газа при этих параметрах, используя закон идеального газа, который использует универсальную газовую постоянную R, чтобы связать все эти переменные.

Универсальная газовая постоянная равна 8,314 джоулей на моль Кельвина. Это уравнение позволяет нам понять соотношения состояний в газообразной системе. Например, в системе с постоянной температурой и давлением мы знаем, что добавление большего количества молей газа приводит к увеличению объема. Точно так же мы можем посмотреть на систему постоянной температуры и молей и увидеть, что уменьшение объема приводит к увеличению давления.

Одна из проблем заключается в том, что закон идеального газа описывает поведение газов идеально. Так что же мы имеем в виду? Идеальное поведение предполагает, что, во-первых, сами молекулы бесконечно малы и по существу не имеют объема, а расстояние между молекулами значительно больше, чем размер отдельной молекулы.

Во-вторых, мы предполагаем, что молекулы находятся в постоянном движении. Любые столкновения, происходящие между молекулами, упруги, а их движение происходит без трения, что означает, что молекулы не теряют энергию. Наконец, мы предполагаем, что между молекулами и окружающей их средой не существует межмолекулярных сил.

К сожалению, большинство газов ведут себя не идеально. При очень низкой температуре или высоком давлении молекулы находятся очень близко друг к другу и медленно движутся, поэтому межмолекулярные взаимодействия значительны. Точно так же газы с высокой молекулярной массой испытывают повышенное взаимодействие из-за их большого размера и массы. Тем не менее, идеальное газовое соотношение служит хорошим приближением в целом.

Так как же мы используем закон идеального газа для изучения поведения газа в лаборатории? Давление, объем и температура, как правило, легче измерить, но как насчет молей и, соответственно, массы?

Одним из простейших способов измерения массы газа является метод Дюма. Для выполнения этого теста небольшое количество летучего соединения в жидкой фазе помещают внутрь пробирки Дюма, а затем пробирку помещают в кипящую воду.

Летучее соединение имеет высокое давление пара при комнатной температуре. Давление пара — это давление, оказываемое паром, находящимся в равновесии с его жидкой фазой. Таким образом, летучее соединение с высоким давлением пара быстро переходит из жидкости в газообразное.

Когда это происходит, вновь образовавшийся газ вытесняет воздух из трубки Дюма, так что она заполняется только газом. После того, как трубку снимают с водяной бани и оставляют при комнатной температуре, газ конденсируется, образуя жидкость. Так как масса сохраняется, то мы знаем, что масса конденсированной жидкости равна массе газа, заполнившего известный объем трубки Дюма.

В этой лабораторной работе вы исследуете закон идеального газа с помощью метода Дюма для определения молярной массы неизвестного летучего вещества. Затем вы измерите температуру, давление и объем системы и увидите, насколько этот газ отклоняется от идеального.