Plyn je stav hmoty bez definovaného tvaru nebo objemu. Plyny mají své vlastní jedinečné chování v závislosti na různých proměnných, jako je teplota, tlak a objem. Zatímco každý plyn je jiný, všechny plyny působí v podobné záležitosti. Tato studijní příručka zdůrazňuje koncepty a zákony týkající se chemie plynů.
Tlak je míra množství síly na jednotku plochy. Tlak plynu je množství síly, kterou plyn vyvíjí na povrch v jeho objemu. Plyny s vysokým tlakem vyvíjí větší sílu než plyn s nízkým tlakem.
SI jednotka tlaku je pascal (Symbol Pa). Pascal se rovná síle 1 newton na metr čtvereční. Tato jednotka není příliš užitečná při zacházení s plyny v reálných podmínkách, ale je to standard, který lze měřit a reprodukovat. Postupem času se vyvinulo mnoho dalších tlakových jednotek, většinou se zabývajících plynem, který je nám nejvíce známý: vzduch. Problém se vzduchem, tlak není konstantní. Tlak vzduchu závisí na nadmořské výšce a mnoha dalších faktorech. Mnoho jednotek tlaku bylo původně založeno na průměrném tlaku vzduchu na hladině moře, ale staly se standardizovanými.
Teplota je vlastnost hmoty související s množstvím energie částeček složky.
Pro měření tohoto množství energie bylo vyvinuto několik teplotních stupnic, ale standardní stupnicí SI je Kelvinská teplotní stupnice. Dvě další běžné teplotní stupnice jsou stupnice Fahrenheita (° F) a Celsia (° C).
Kelvinova stupnice je absolutní teplotní stupnice a používá se téměř ve všech výpočtech plynu. Při práci s problémy s plynem je důležité konvertovat hodnoty teploty Kelvinu.
Převodní vzorce mezi teplotními stupnicemi:
K = ° C + 273,15
° C = 5/9 (° F - 32)
° F = 9/5 ° C + 32
STP znamená standardní teplota a tlak. Vztahuje se na podmínky při tlaku 1 atmosféry při 273 K (0 ° C). STP se běžně používá při výpočtech týkajících se hustoty plynů nebo v jiných případech, které se týkají standardní stavové podmínky.
Ve společnosti STP zabere jeden mol ideálního plynu objem 22,4 l.
Daltonův zákon uvádí, že celkový tlak směsi plynů je roven součtu všech jednotlivých tlaků samotných složek plynů.
Pcelkový = PPlyn 1 + PPlyn 2 + PPlyn 3 + ...
Je znám individuální tlak komponentního plynu jako parciální tlak plynu. Částečný tlak se vypočítá podle vzorce
Pi = XiPcelkový
kde
Pi = parciální tlak jednotlivého plynu
Pcelkový = celkový tlak
Xi = molární zlomek jednotlivého plynu
Molární zlomek, Xi, se vypočítá dělením počtu molů jednotlivého plynu celkovým počtem molů směsného plynu.
Avogadroův zákon uvádí, že objem plynu je přímo úměrný počet krtků plynu, když tlak a teplota zůstávají konstantní. V zásadě: Plyn má objem. Pokud se tlak a teplota nezmění, přidejte další plyn.
V = kn
kde
V = objem k = konstanta n = počet molů
Avogadroův zákon lze také vyjádřit jako
PROTIi/ ni = VF/ nF
kde
PROTIi a VF jsou počáteční a konečné svazky
ni a nF jsou počáteční a konečný počet molů
Boyleův zákon o plynu uvádí, že objem plynu je nepřímo úměrný tlaku, když je teplota udržována konstantní.
P = k / V
kde
P = tlak
k = konstanta
V = objem
Boyleův zákon lze také vyjádřit jako
PiPROTIi = PFPROTIF
kde Pi a PF jsou počáteční a konečný tlak Vi a VF jsou počáteční a konečné tlaky
Jak se objem zvětšuje, tlak klesá nebo se zmenšuje objem, tlak se zvyšuje.
Charlesův plynový zákon uvádí, že objem plynu je úměrný jeho absolutní teplotě, když je tlak udržován konstantní.
V = kT
kde
V = objem
k = konstanta
T = absolutní teplota
Charlesův zákon lze také vyjádřit jako
PROTIi/ Ti = VF/ Ti
kde Vi a VF jsou počáteční a konečné svazky
Ti a TF jsou počáteční a konečná absolutní teplota
Pokud je tlak udržován konstantní a teplota stoupá, objem plynu se zvýší. Jakmile se plyn ochladí, objem se sníží.
Chlap-Lussacův zákon o plynu uvádí, že tlak plynu je úměrný jeho absolutní teplotě, když je objem udržován konstantní.
P = kT
kde
P = tlak
k = konstanta
T = absolutní teplota
Gay-Lussacův zákon lze také vyjádřit jako
Pi/ Ti = PF/ Ti
kde Pi a PF jsou počáteční a konečné tlaky
Ti a TF jsou počáteční a konečná absolutní teplota
Pokud se teplota zvýší, tlak plynu se zvýší, pokud je objem udržován konstantní. Jakmile se plyn ochladí, tlak se sníží.
Zákon o ideálním plynu, také známý jako zákon o kombinovaném plynu, je kombinací všech proměnné v předchozích zákonech o plynech. zákon o ideálním plynu je vyjádřeno vzorcem
PV = nRT
kde
P = tlak
V = objem
n = počet molů plynu
R = ideální plynová konstanta
T = absolutní teplota
Hodnota R závisí na jednotkách tlaku, objemu a teploty.
R = 0,0821 litru · atm / mol · K (P = atm, V = L a T = K)
R = 8,3145 J / mol · K (Tlak x Objem je energie, T = K)
R = 8,2057 m3· Atm / mol · K (P = atm, V = krychlové metry a T = K)
R = 62,3637 L · Torr / mol · K nebo L · mmHg / mol · K (P = torr nebo mmHg, V = L a T = K)
Zákon o ideálním plynu funguje dobře pro plyny za normálních podmínek. Nepříznivé podmínky zahrnují vysoké tlaky a velmi nízké teploty.
Zákon o ideálním plynu je dobrou aproximací pro chování skutečných plynů. Hodnoty předvídané zákonem o ideálním plynu jsou obvykle do 5% naměřených hodnot reálného světa. Zákon o ideálním plynu selže, když je tlak plynu velmi vysoký nebo je teplota velmi nízká. Van der Waalsova rovnice obsahuje dvě modifikace zákona o ideálním plynu a používá se k bližší předpovědi chování skutečných plynů.
Van der Waalsova rovnice je
(P + an2/PROTI2) (V - nb) = nRT
kde
P = tlak
V = objem
a = tlaková korekční konstanta jedinečná pro plyn
b = objemová korekční konstanta jedinečná pro plyn
n = počet molů plynu
T = absolutní teplota
Van der Waalsova rovnice zahrnuje korekci tlaku a objemu, aby se zohlednily interakce mezi molekulami. Na rozdíl od ideálních plynů mají jednotlivé částice skutečného plynu vzájemné interakce a mají určitý objem. Protože každý plyn je odlišný, má každý plyn své vlastní korekce nebo hodnoty pro aab v van der Waalsovy rovnici.