Een gas is een toestand van materie zonder gedefinieerde vorm of volume. Gassen hebben hun eigen unieke gedrag, afhankelijk van verschillende variabelen, zoals temperatuur, druk en volume. Hoewel elk gas anders is, werken alle gassen op een vergelijkbare manier. Deze studiegids belicht de concepten en wetten die betrekking hebben op de chemie van gassen.
Druk is een mate van de hoeveelheid kracht per oppervlakte-eenheid. De druk van een gas is de hoeveelheid kracht die het gas uitoefent op een oppervlak binnen zijn volume. Gassen met hoge druk oefenen meer kracht uit dan gas met lage druk.
De SI drukeenheid is de pascal (symbool Pa). De pascal is gelijk aan de kracht van 1 Newton per vierkante meter. Deze eenheid is niet erg handig bij het omgaan met gassen in reële omstandigheden, maar het is een standaard die kan worden gemeten en gereproduceerd. Veel andere drukeenheden zijn in de loop van de tijd ontwikkeld, meestal met het gas dat we het meest kennen: lucht. Het probleem met lucht, de druk is niet constant. De luchtdruk is afhankelijk van de hoogte boven zeeniveau en vele andere factoren. Veel drukeenheden waren oorspronkelijk gebaseerd op een gemiddelde luchtdruk op zeeniveau, maar zijn gestandaardiseerd.
Temperatuur is een materiaaleigenschap die verband houdt met de hoeveelheid energie van de samenstellende deeltjes.
Er zijn verschillende temperatuurschalen ontwikkeld om deze hoeveelheid energie te meten, maar de SI-standaardschaal is de Kelvin temperatuurschaal. Twee andere veel voorkomende temperatuurschalen zijn de Fahrenheit (° F) en Celsius (° C) schalen.
De Kelvin schaal is een absolute temperatuurschaal en wordt gebruikt in bijna alle gasberekeningen. Het is belangrijk bij het werken met gasproblemen om te zetten de temperatuurmetingen aan Kelvin.
Conversieformules tussen temperatuurschalen:
K = ° C + 273,15
° C = 5/9 (° F - 32)
° F = 9/5 ° C + 32
STP betekent standaard temperatuur en druk. Het verwijst naar de omstandigheden bij 1 atmosfeer druk bij 273 K (0 ° C). STP wordt vaak gebruikt bij berekeningen met betrekking tot de dichtheid van gassen of in andere gevallen standaard staat voorwaarden.
Bij STP neemt een mol van een ideaal gas een volume in van 22,4 L.
De wet van Dalton stelt dat de totale druk van een gasmengsel gelijk is aan de som van alle individuele drukken van de samenstellende gassen alleen.
Ptotaal = PGas 1 + PGas 2 + PGas 3 + ...
De individuele druk van het samenstellende gas is bekend als de partiële druk van het gas. Partiële druk wordt berekend met de formule
Pik = XikPtotaal
waar
Pik = partiële druk van het individuele gas
Ptotaal = totale druk
Xik = molaire fractie van het individuele gas
De molfractie, Xik, wordt berekend door het aantal mol van het individuele gas te delen door het totale aantal mol van het gemengde gas.
De wet van Avogadro stelt dat het volume van een gas recht evenredig is met het aantal moedervlekken gas wanneer de druk en temperatuur constant blijven. Kortom: gas heeft volume. Voeg meer gas toe, gas neemt meer volume in beslag als druk en temperatuur niet veranderen.
V = kn
waar
V = volume k = constant n = aantal mol
De wet van Avogadro kan ook worden uitgedrukt als
Vik/ nik = Vf/ nf
waar
Vik en Vf zijn begin- en eindvolumes
nik en Nf zijn begin- en eindaantal moedervlekken
De gaswet van Boyle stelt dat het volume van een gas omgekeerd evenredig is met de druk wanneer de temperatuur constant wordt gehouden.
P = k / V
waar
P = druk
k = constant
V = volume
De wet van Boyle kan ook worden uitgedrukt als
PikVik = PfVf
waar Pik en Pf zijn de begin- en einddruk Vik en Vf zijn de begin- en einddruk
Als het volume toeneemt, de druk afneemt of als het volume afneemt, neemt de druk toe.
De gaswet van Charles stelt dat het volume van een gas evenredig is met zijn absolute temperatuur wanneer de druk constant wordt gehouden.
V = kT
waar
V = volume
k = constant
T = absolute temperatuur
De wet van Charles kan ook worden uitgedrukt als
Vik/ Tik = Vf/ Tik
waar Vik en Vf zijn de begin- en einddelen
Tik en Tf zijn de initiële en uiteindelijke absolute temperaturen
Als de druk constant wordt gehouden en de temperatuur stijgt, neemt het volume van het gas toe. Naarmate het gas afkoelt, neemt het volume af.
Vent-Lussac's gaswet stelt dat de druk van een gas evenredig is met zijn absolute temperatuur wanneer het volume constant wordt gehouden.
P = kT
waar
P = druk
k = constant
T = absolute temperatuur
De wet van Guy-Lussac kan ook worden uitgedrukt als
Pik/ Tik = Pf/ Tik
waar Pik en Pf zijn de begin- en einddruk
Tik en Tf zijn de initiële en uiteindelijke absolute temperaturen
Als de temperatuur stijgt, neemt de druk van het gas toe als het volume constant wordt gehouden. Naarmate het gas afkoelt, neemt de druk af.
De ideale gaswet, ook wel bekend als de gecombineerde gaswet, is een combinatie van alle variabelen in de vorige gaswetten. De ideale gaswet wordt uitgedrukt door de formule
PV = nRT
waar
P = druk
V = volume
n = aantal mol gas
R = ideale gasconstante
T = absolute temperatuur
De waarde van R hangt af van de eenheden van druk, volume en temperatuur.
R = 0,0821 liter · atm / mol · K (P = atm, V = L en T = K)
R = 8,3145 J / mol · K (druk x volume is energie, T = K)
R = 8.2057 m3· Atm / mol · K (P = atm, V = kubieke meter en T = K)
R = 62.3637 L · Torr / mol · K of L · mmHg / mol · K (P = torr of mmHg, V = L en T = K)
De ideale gaswet werkt goed voor gassen onder normale omstandigheden. Ongunstige omstandigheden zijn onder meer hoge drukken en zeer lage temperaturen.
De ideale gaswet is een goede benadering voor het gedrag van echte gassen. De waarden die door de ideale gaswet worden voorspeld, liggen doorgaans binnen 5% van de gemeten werkelijke waarden. De ideale gaswet faalt wanneer de druk van het gas erg hoog is of de temperatuur erg laag. De van der Waals-vergelijking bevat twee wijzigingen in de ideale gaswet en wordt gebruikt om het gedrag van echte gassen nauwkeuriger te voorspellen.
De van der Waals-vergelijking is
(P + an2/ V2) (V - nb) = nRT
waar
P = druk
V = volume
a = drukcorrectieconstante die uniek is voor het gas
b = volumecorrectieconstante die uniek is voor het gas
n = het aantal mol gas
T = absolute temperatuur
De van der Waals-vergelijking bevat een druk- en volumecorrectie om rekening te houden met de interacties tussen moleculen. In tegenstelling tot ideale gassen, hebben de afzonderlijke deeltjes van een echt gas interactie met elkaar en hebben ze een bepaald volume. Omdat elk gas anders is, heeft elk gas zijn eigen correcties of waarden voor a en b in de van der Waals-vergelijking.