Vodnik za študij plinov

Kemijski vodnik za študij plinov

Plin je agregatno stanje brez določene oblike ali prostornine. plini imajo svoje edinstveno obnašanje, odvisno od različnih spremenljivk, kot so temperatura, tlak in prostornina. Čeprav je vsak plin drugačen, vsi plini delujejo podobno. Ta študijski vodnik poudarja koncepte in zakone, ki obravnavajo kemijo plinov.

Lastnosti plina

Plinski balon. Paul Taylor, Getty Images

Plin je a agregatno stanje . Delci, ki sestavljajo plin, so lahko različni iz posameznih atomov do kompleksne molekule . Nekaj ​​drugih splošnih informacij o plinih:

• Plini prevzamejo obliko in prostornino svoje posode.
• Plini imajo manjšo gostoto kot njihova trdna ali tekoča faza.
• Plini se lažje stisnejo kot njihova trdna ali tekoča faza.
• Plini se popolnoma in enakomerno pomešajo, če so omejeni na enako prostornino.
• Vsi elementi v skupini VIII so plini. Ti plini so znani kot žlahtni plini .
• Elementi, ki so pri sobni temperaturi in normalnem tlaku plini, so vsi nekovine .

Pritisk

Tlak je a ukrep za količino sile na enoto površine. Tlak plina je količina sile, s katero plin deluje na površino znotraj svoje prostornine. Plini z visokim tlakom imajo večjo silo kot plini z nizkim tlakom.
The DA enota za tlak je pascal (simbol Pa). Pascal je enak sili 1 newton na kvadratni meter. Ta enota ni zelo uporabna pri delu s plini v resničnih pogojih, vendar je standard, ki ga je mogoče izmeriti in reproducirati. Sčasoma so se razvile številne druge tlačne enote, ki se večinoma ukvarjajo s plinom, ki ga najbolj poznamo: zrakom. Problem z zrakom, tlak ni konstanten. Zračni tlak je odvisen od nadmorske višine in številnih drugih dejavnikov. Veliko enot za tlak je prvotno temeljilo na povprečnem zračnem tlaku na morski gladini, vendar so postale standardizirane.

Temperatura

Temperatura je lastnost snovi, povezana s količino energije sestavnih delcev.
Za merjenje te količine energije je bilo razvitih več temperaturnih lestvic, vendar je standardna lestvica SI Kelvinova temperaturna lestvica . Dve drugi običajni temperaturni lestvici sta Fahrenheitova (°F) in Celzijeva (°C) lestvica.
The Kelvinova lestvica je absolutna temperaturna lestvica in se uporablja v skoraj vseh izračunih plina. Pri delu s težavami s plinom je pomembna pretvorba odčitke temperature do Kelvina.
Formule za pretvorbo med temperaturnimi lestvicami:
K = °C + 273,15
°C = 5/9 (°F - 32)
°F = 9/5 °C + 32

STP - Standardna temperatura in tlak

STP pomeni standardna temperatura in pritisk. Nanaša se na pogoje pri 1 atmosferi tlaka pri 273 K (0 °C). STP se običajno uporablja pri izračunih, povezanih z gostoto plinov ali v drugih primerih, ki vključujejo standardni državni pogoji .
Pri STP bo mol idealnega plina zasedel prostornino 22,4 L.

Daltonov zakon parcialnih tlakov

Daltonov zakon pravi, da je skupni tlak mešanice plinov enak vsoti vseh posameznih tlakov plinov, ki sestavljajo samega sebe.
p_skupaj= P_{Plin 1}+ P_{Plin 2}+ P_{Plin 3}+ ...
Individualni tlak sestavnega plina je znan kot parcialni tlak plina. Parcialni tlak se izračuna po formuli
p_jaz= X_jazp_skupaj
kje
p_jaz= delni tlak posameznega plina
p_skupaj= skupni tlak
X_jaz= molski delež posameznega plina
Molska frakcija, X_jaz, se izračuna tako, da se število molov posameznega plina deli s skupnim številom molov mešanice plina.

Avogadrov plinski zakon

Avogadrov zakon navaja, da je prostornina plina premo sorazmerna z število molov plina, ko sta tlak in temperatura konstantna. V bistvu: plin ima prostornino. Dodajte več plina, plin zavzame več volumna, če se tlak in temperatura ne spremenita.
V = kn
kje
V = prostornina k = konstanta n = število molov
Avogadrov zakon lahko izrazimo tudi kot
IN_jaz/n_jaz= V_f/n_f
kje
IN_jazin V_fsta začetni in končni zvezek
n_jazin n_fsta začetno in končno število molov

Boylov plinski zakon

Boylov plinski zakon pravi, da je prostornina plina obratno sorazmerna s tlakom, ko je temperatura konstantna.
P = k/V
kje
P = tlak
k = konstanta
V = prostornina
Boylov zakon lahko izrazimo tudi kot
p_jazIN_jaz= P_fIN_f
kjer je P_jazin P_fsta začetni in končni tlak V_jazin V_fsta začetni in končni tlak
Ko se prostornina poveča, se tlak zmanjša ali ko se prostornina zmanjša, se bo tlak povečal.

Charlesov plinski zakon

Charlesov plinski zakon pravi, da je prostornina plina sorazmerna z njegovo absolutno temperaturo, ko je tlak konstanten.
V = kT
kje
V = prostornina
k = konstanta
T = absolutna temperatura
Charlesov zakon se lahko izrazi tudi kot
IN_jaz/T_jaz= V_f/T_jaz
kjer je V_jazin V_fsta začetni in končni zvezek
T_jazin T_fsta začetna in končna absolutna temperatura
Če tlak ostane konstanten in se temperatura poveča, se prostornina plina poveča. Ko se plin ohladi, se bo prostornina zmanjšala.

Guy-Lussacov plinski zakon

Tip -Lussacov plinski zakon pravi, da je tlak plina sorazmeren z njegovo absolutno temperaturo, ko je prostornina konstantna.
P = kT
kje
P = tlak
k = konstanta
T = absolutna temperatura
Guy-Lussacov zakon lahko izrazimo tudi kot
p_jaz/T_jaz= P_f/T_jaz
kjer je P_jazin P_fsta začetni in končni tlak
T_jazin T_fsta začetna in končna absolutna temperatura
Če se temperatura poveča, se bo tlak plina povečal, če ostane prostornina konstantna. Ko se plin ohladi, se bo tlak zmanjšal.

Zakon idealnega plina ali zakon kombiniranega plina

Zakon idealnega plina, znan tudi kot zakon o kombiniranem plinu , je kombinacija vseh spremenljivk v prejšnjih plinskih zakonih . The zakon idealnega plina je izražena s formulo
PV = nRT
kje
P = tlak
V = prostornina
n = število molov plina
R = idealna plinska konstanta
T = absolutna temperatura
Vrednost R je odvisna od enot tlaka, prostornine in temperature.
R = 0,0821 liter·atm/mol·K (P = atm, V = L in T = K)
R = 8,3145 J/mol·K (tlak x prostornina je energija, T = K)
R = 8,2057 m³·atm/mol·K (P = atm, V = kubični metri in T = K)
R = 62,3637 L·torr/mol·K ali L·mmHg/mol·K (P = torr ali mmHg, V = L in T = K)
Zakon o idealnem plinu dobro deluje za pline v normalnih pogojih. Neugodni pogoji so visoki tlaki in zelo nizke temperature.

Kinetična teorija plinov

Kinetična teorija plinov je model za razlago lastnosti idealnega plina. Model ima štiri osnovne predpostavke:

1. Predpostavlja se, da je prostornina posameznih delcev, ki sestavljajo plin, zanemarljiva v primerjavi z prostornino plina.
2. Delci so nenehno v gibanju. Trki med delci in mejami posode povzročijo pritisk plina.
3. Posamezni delci plina drug na drugega ne delujejo z nobenimi silami.
4. Povprečna kinetična energija plina je premosorazmerna z absolutno temperaturo plina. Plini v mešanici plinov pri določeni temperaturi bodo imeli enako povprečno kinetično energijo.

Povprečna kinetična energija plina je izražena s formulo:
KE_ave= 3RT/2
kje
KE_ave= povprečna kinetična energija R = idealna plinska konstanta
T = absolutna temperatura
The povprečna hitrost ali povprečno kvadratno hitrost posameznih delcev plina lahko najdete s formulo
v_rms= [3RT/M]^1/2
kje
v_rms= povprečje ali korensko povprečje kvadratna hitrost
R = idealna plinska konstanta
T = absolutna temperatura
M = molska masa

Gostota plina

The gostota idealnega plina lahko izračunate s formulo
ρ = PM/RT
kje
ρ = gostota
P = tlak
M = molska masa
R = idealna plinska konstanta
T = absolutna temperatura

Grahamov zakon difuzije in izliva

Grahamov zakon atates hitrost difuzije ali izliv za plin je obratno sorazmeren s kvadratnim korenom molske mase plina.
r(M)^1/2= konstantna
kje
r = hitrost difuzije ali izliva
M = molska masa
Hitrosti dveh plinov lahko primerjamo med seboj z uporabo formule
r₁/r_dva= (M_dva)^1/2/(M₁)^1/2

Kraljevi plini

Zakon o idealnem plinu je dober približek za obnašanje realnih plinov. Vrednosti, ki jih predvideva zakon idealnega plina, so običajno znotraj 5 % izmerjenih vrednosti v realnem svetu. Zakon idealnega plina ne velja, če je tlak plina zelo visok ali temperatura zelo nizka. Van der Waalsova enačba vsebuje dve modifikaciji zakona o idealnem plinu in se uporablja za natančnejše napovedovanje obnašanja realnih plinov.
Van der Waalsova enačba je
(P + an^dva/IN^dva)(V - nb) = nRT
kje
P = tlak
V = prostornina
a = konstanta popravka tlaka, edinstvena za plin
b = volumenska korekcijska konstanta, edinstvena za plin
n = število molov plina
T = absolutna temperatura
Van der Waalsova enačba vključuje korekcijo tlaka in prostornine, da se upoštevajo interakcije med molekulami. Za razliko od idealnih plinov imajo posamezni delci realnega plina medsebojne interakcije in imajo določeno prostornino. Ker je vsak plin drugačen, ima vsak plin svoje popravke ali vrednosti za a in b v van der Waalsovi enačbi.

Vadba Delovni list in test

Preizkusite, kaj ste se naučili. Preizkusite te delovne liste o plinskih zakonih, ki jih je mogoče natisniti:
Delovni list o plinskih zakonih
Delovni list o plinskih zakonih z odgovori
Delovni list o plinskih zakonih z odgovori in prikazanim delom
Obstaja tudi a praktični test o plinski zakonodaji z odgovori na voljo.