גז הוא מצב של חומר ללא צורה או נפח מוגדרים. גזים יש התנהגות ייחודית משלהם בהתאם למגוון משתנים, כגון טמפרטורה, לחץ ונפח. בעוד שכל גז שונה, כל הגזים פועלים בעניין דומה. מדריך לימוד זה מדגיש את המושגים והחוקים העוסקים בכימיה של גזים.
לחץ הוא א מידה של כמות הכוח ליחידת יחידה. הלחץ של גז הוא כמות הכוח שהגז מפעיל על משטח בתוך נפחו. גזים עם לחץ גבוה מפעילים כוח רב יותר מאשר גז בלחץ נמוך.
ה SI יחידת הלחץ היא הפסקל (סמל Pa). המסלול שווה לכוח של 1 ניוטון למ"ר. יחידה זו אינה שימושית במיוחד בעת התמודדות עם גזים בתנאים בעולם האמיתי, אך היא תקן שניתן למדוד ולהעתיק. יחידות לחץ רבות אחרות התפתחו עם הזמן, בעיקר עוסקות בגז המוכר לנו ביותר: אוויר. הבעיה עם אוויר, הלחץ אינו קבוע. לחץ האוויר תלוי בגובה מעל פני הים ובגורמים רבים אחרים. יחידות לחץ רבות התבססו במקור על לחץ אוויר ממוצע בגובה פני הים, אך הפכו לסטנדרטיים.
טמפרטורה היא תכונה של חומר הקשור לכמות האנרגיה של חלקיקי הרכיב.
פותחו מספר סולמות טמפרטורה למדידת כמות אנרגיה זו, אולם סולם התקן של SI הוא סולם הטמפרטורה של קלווין. שני סולמות טמפרטורה נפוצים נוספים הם מאזני הטמפרטורה של פרנהייט (C) ו צלזיוס (מעלות צלזיוס).
ה סולם קלווין הוא סולם טמפרטורות מוחלט ומשמש כמעט בכל חישובי הגז. חשוב כאשר עובדים עם בעיות גז להמרה קריאות הטמפרטורה לקלווין.
נוסחאות המרה בין סולמות טמפרטורה:
K = ° C + 273.15
מעלות צלזיוס = 5/9 (מעלות צלזיוס - 32)
° F = 9/5 ° C + 32
STP פירושו טמפרטורה סטנדרטית ולחץ. זה מתייחס לתנאים באטמוספרה של לחץ 1 ב 273 K (0 ° C). STP משמש בדרך כלל בחישובים המעורבים בצפיפות הגזים או במקרים אחרים הכרוכים בכך תנאי מצב סטנדרטיים.
ב- STP, שומה של גז אידיאלי תופסת נפח של 22.4 ל '.
החוק של דלטון קובע שהלחץ הכולל של תערובת גזים שווה לסכום כל הלחצים האישיים של גזי הרכיב בלבד.
עסה"כ = Pגז 1 + Pגז 2 + Pגז 3 + ...
הלחץ האינדיבידואלי של גז הרכיב ידוע בתור הלחץ החלקי של הגז. לחץ חלקי מחושב על ידי הנוסחה
עאני = Xאניעסה"כ
איפה
עאני = לחץ חלקי של הגז הבודד
עסה"כ = לחץ מוחלט
איקסאני = שבריר של שומה מהגז הבודד
שבר השומה, Xאנימחושב על ידי חלוקת מספר השומות של הגז האינדיבידואלי במספר הכולל של השומות של הגז המעורב.
החוק של אבוגדרו קובע כי נפח הגז הוא ביחס ישיר ל מספר השומות של גז כאשר הלחץ והטמפרטורה נשארים קבועים. בעיקרון: לגז יש נפח. הוסף עוד גז, הגז תופס נפח רב יותר אם הלחץ והטמפרטורה לא משתנים.
V = kn
איפה
V = נפח k = קבוע n = מספר שומות
החוק של אבוגדרו יכול לבוא לידי ביטוי גם
Vאני/ nאני = Vו/ nו
איפה
Vאני ו- Vו הם כרכים ראשוניים וסופיים
nאני ו- nו הם מספר שומות ראשוני וסופי
חוק הגז של בויל קובע כי נפח הגז הוא ביחס הפוך ללחץ כאשר הטמפרטורה מוחזקת קבועה.
P = k / V
איפה
P = לחץ
k = קבוע
V = נפח
ניתן לבטא את החוק של בויל גם כ
עאניVאני = PוVו
שם פאני ו פו הם הלחצים הראשוניים והסופיים Vאני ו- Vו הם הלחצים הראשוניים והסופיים
ככל שהנפח גדל, הלחץ יורד או ככל שהנפח יורד, הלחץ יגדל.
חוק הגז של צ'רלס קובע כי נפח הגז פרופורציונלי לטמפרטורתו המוחלטת כאשר לחץ מוחזק קבוע.
V = kT
איפה
V = נפח
k = קבוע
T = טמפרטורה מוחלטת
ניתן לבטא את החוק של צ'רלס גם כ
Vאני/ תאני = Vו/ תאני
שם Vאני ו- Vו הם הכרכים הראשוניים והסופיים
טאני ו- Tו הם הטמפרטורות המוחלטות הראשוניות והסופיות
אם לחץ מוחזק קבוע והטמפרטורה עולה, נפח הגז יגדל. עם התקררות הגז הנפח יקטן.
גיאחוק הגז של לוסאק קובע כי הלחץ של גז פרופורציונלי לטמפרטורה המוחלטת שלו כאשר הנפח מוחזק קבוע.
P = kT
איפה
P = לחץ
k = קבוע
T = טמפרטורה מוחלטת
החוק של גיא-לוסאק יכול לבוא לידי ביטוי גם
עאני/ תאני = Pו/ תאני
שם פאני ו פו הם הלחצים הראשוניים והסופיים
טאני ו- Tו הם הטמפרטורות המוחלטות הראשוניות והסופיות
אם הטמפרטורה עולה, לחץ הגז יגבר אם הנפח יישאר קבוע. עם התקררות הגז הלחץ יירד.
חוק הגז האידיאלי, הידוע גם הוא כחוק הגז המשולב, הוא שילוב של כל משתנים בחוקי הגז הקודמים. ה חוק הגז האידיאלי מתבטא בנוסחה
PV = nRT
איפה
P = לחץ
V = נפח
n = מספר שומות גז
R = קבוע גז אידיאלי
T = טמפרטורה מוחלטת
הערך של R תלוי ביחידות הלחץ, הנפח והטמפרטורה.
R = 0.0821 ליטר · כספומט / מול · K (P = כספומט, V = L ו- T = K)
R = 8.3145 J / mol · K (לחץ x נפח הוא אנרגיה, T = K)
R = 8.2057 מ '3· כספומט / מול · K (P = כספומט, V = מטר מעוקב ו- T = K)
R = 62.3637 L · Torr / mol · K או L · mmHg / mol · K (P = טור או mmHg, V = L ו- T = K)
חוק הגז האידיאלי עובד היטב בגזים בתנאים רגילים. תנאים לא נוחים כוללים לחצים גבוהים וטמפרטורות נמוכות מאוד.
חוק הגז האידיאלי הוא קירוב טוב להתנהגותם של גזים אמיתיים. הערכים שצפו בחוק הגז האידיאלי הם בדרך כלל בתוך 5% מערכי העולם האמיתי הנמדד. חוק הגז האידיאלי נכשל כאשר לחץ הגז מאוד גבוה או הטמפרטורה נמוכה מאוד. משוואת ון דר וואלס מכילה שני שינויים בחוק הגז האידיאלי ומשמשת לחיזוי מקרוב יותר של התנהגותם של גזים אמיתיים.
משוואת ואן דר וואלס היא
(P + an2/ V2) (V - nb) = nRT
איפה
P = לחץ
V = נפח
a = תיקון לחץ קבוע הייחודי לגז
b = תיקון נפח קבוע הייחודי לגז
n = מספר שומות הגז
T = טמפרטורה מוחלטת
משוואת ון דר וואלס כוללת תיקון לחץ ונפח בכדי לקחת בחשבון את האינטראקציות בין מולקולות. שלא כמו גזים אידיאליים, לחלקיקים האישיים של גז אמיתי יש אינטראקציות זה עם זה ויש להם נפח מוגדר. מכיוון שלכל גז שונה, לכל גז יש תיקונים או ערכים משלו עבור a ו- b במשוואת van der Waals.