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Chemiestudienhandbuch für Gase

Ein Gas ist ein Materiezustand ohne definierte Form oder Volumen. Gase haben ihr eigenes einzigartiges Verhalten, abhängig von einer Vielzahl von Variablen wie Temperatur, Druck und Volumen. Während jedes Gas anders ist, wirken alle Gase in einer ähnlichen Angelegenheit. Dieser Studienführer beleuchtet die Konzepte und Gesetze, die sich mit der Chemie von Gasen befassen.

 

Eigenschaften eines Gases

Gasballon. Paul Taylor, Getty Images

Ein Gas ist ein Zustand der Materie. Die Partikel, aus denen ein Gas besteht, können von einzelnen Atomen bis zu komplexen Molekülen reichen . Einige andere allgemeine Informationen zu Gasen:

  • Gase nehmen die Form und das Volumen ihres Behälters an.
  • Gase haben geringere Dichten als ihre festen oder flüssigen Phasen.
  • Gase werden leichter komprimiert als ihre festen oder flüssigen Phasen.
  • Gase mischen sich vollständig und gleichmäßig, wenn sie auf das gleiche Volumen beschränkt sind.
  • Alle Elemente der Gruppe VIII sind Gase. Diese Gase sind als Edelgase bekannt .
  • Elemente, die bei Raumtemperatur und Normaldruck Gase sind, sind alle Nichtmetalle .

 

Druck

Der Druck ist ein Maß für die Kraft pro Flächeneinheit. Der Druck eines Gases ist die Kraft, die das Gas auf eine Oberfläche innerhalb seines Volumens ausübt. Gase mit hohem Druck üben mehr Kraft aus als Gase mit niedrigem Druck.
Die SI- Druckeinheit ist der Pascal (Symbol Pa). Der Pascal entspricht der Kraft von 1 Newton pro Quadratmeter. Dieses Gerät ist nicht sehr nützlich, wenn es um Gase unter realen Bedingungen geht, aber es ist ein Standard, der gemessen und reproduziert werden kann. Viele andere Druckeinheiten haben sich im Laufe der Zeit entwickelt und befassen sich hauptsächlich mit dem Gas, mit dem wir am besten vertraut sind: Luft. Das Problem mit der Luft ist, dass der Druck nicht konstant ist. Der Luftdruck hängt von der Höhe über dem Meeresspiegel und vielen anderen Faktoren ab. Viele Druckeinheiten basierten ursprünglich auf einem durchschnittlichen Luftdruck auf Meereshöhe, wurden jedoch standardisiert.

 

Temperatur

Die Temperatur ist eine Eigenschaft der Materie, die sich auf die Energiemenge der Teilchen bezieht.
Es wurden mehrere Temperaturskalen entwickelt, um diese Energiemenge zu messen, aber die SI-Standardskala ist die Kelvin-Temperaturskala. Zwei weitere gängige Temperaturskalen sind die Skalen Fahrenheit (° F) und Celsius (° C).
Die Kelvin-Skala ist eine absolute Temperaturskala und wird in fast allen Gasberechnungen verwendet. Bei der Arbeit mit Gasproblemen ist es wichtig, die Temperaturwerte in Kelvin umzurechnen.
Umrechnungsformeln zwischen Temperaturskalen:
K=° C + 273,15
° C=5/9 (° F – 32)
° F=9/5 ° C + 32

 

STP – Standardtemperatur und -druck

STP bedeutet Standardtemperatur und -druck. Es bezieht sich auf die Bedingungen bei 1 Druckatmosphäre bei 273 K (0 ° C). STP wird üblicherweise in Berechnungen verwendet, die sich auf die Dichte von Gasen beziehen, oder in anderen Fällen, die Standardzustandsbedingungen betreffen .
Bei STP nimmt ein Mol eines idealen Gases ein Volumen von 22,4 l ein.

 

Daltons Partialdruckgesetz

Das Daltonsche Gesetz besagt, dass der Gesamtdruck eines Gasgemisches gleich der Summe aller Einzeldrücke der einzelnen Gase ist.
P gesamt=P Gas 1 + P Gas 2 + P Gas 3 + …
Der individuelle Druck des Komponentengases wird als Partialdruck des Gases bezeichnet. Der Partialdruck wird nach der Formel
P i=X i P total berechnet,
wobei
P i=Partialdruck des einzelnen Gases
P total=Gesamtdruck
X i=Molenbruch des einzelnen Gases
Der Molenbruch X i wird durch Teilen von berechnet Molzahl des einzelnen Gases durch die Gesamtzahl der Mol des Mischgases.

 

Avogadros Gasgesetz

Das Avogadro-Gesetz besagt, dass das Volumen eines Gases direkt propor
tional zur Anzahl der Mol Gas ist, wenn Druck und Temperatur konstant bleiben. Grundsätzlich gilt: Gas hat Volumen. Fügen Sie mehr Gas hinzu, Gas nimmt mehr Volumen auf, wenn sich Druck und Temperatur nicht ändern.
V=kn
wobei
V=Volumen k=Konstante n=Molzahl Das
Avogadrosche Gesetz kann auch ausgedrückt werden als
V i / n i=V f / n f,
wobei
V i und V f Anfangs- und Endvolumen
n i und n f sind Anfangs- und Endzahl der Mol

 

Boyles Gasgesetz

Das Gasgesetz von Boyle besagt, dass das Volumen eines Gases umgekehrt proportional zum Druck ist, wenn die Temperatur konstant gehalten wird.
P=k / V
wobei
P=Druck
k=Konstante
V=Volumen Das
Boyle’sche Gesetz kann auch ausgedrückt werden als
P i V i=P f V f
wobei P i und P f die Anfangs- und Enddrücke V i und V f sind Anfangs- und Enddruck Mit
zunehmendem Volumen nimmt der Druck ab oder mit abnehmendem Volumen steigt der Druck.

 

Charles ‚Gasgesetz

Das Gasgesetz von Charles besagt, dass das Volumen eines Gases proportional zu seiner absoluten Temperatur ist, wenn der Druck konstant gehalten wird.
V=kT
wobei
V=Volumen
k=Konstante
T=absolute Temperatur Das
Charles’sche Gesetz kann auch ausgedrückt werden als
V i / T i=V f / T i
wobei V i und V f die Anfangs- und Endvolumina
T i und T f sind sind die anfänglichen und endgültigen absoluten Temperaturen.
Wenn der Druck konstant gehalten wird und die Temperatur steigt, nimmt das Volumen des Gases zu. Wenn das Gas abkühlt, nimmt das Volumen ab.

 

Guy-Lussacs Gasgesetz

Das Gasgesetz von Guy- Lussac besagt, dass der Druck eines Gases proportional zu seiner absoluten Temperatur ist, wenn das Volumen konstant gehalten wird.
P=kT
wobei
P=Druck
k=Konstante
T=absolute Temperatur Das
Guy-Lussac-Gesetz kann auch ausgedrückt werden als
P i / T i=P f / T i,
wobei P i und P f die Anfangs- und Enddrücke
T i und T sind f sind die anfänglichen und endgültigen absoluten Temperaturen.
Wenn die Temperatur steigt, steigt der Druck des Gases, wenn das Volumen konstant gehalten wird. Wenn das Gas abkühlt, nimmt der Druck ab.

 

Ideales Gasgesetz oder kombiniertes Gasgesetz

Das ideale Gasgesetz, auch als kombiniertes Gasgesetz bekannt. ist eine Kombination aller Variablen in den vorherigen Gasgesetzen. Das ideale Gasgesetz wird durch die Formel
PV=nRT ausgedrückt,
wobei
P=Druck
V=Volumen
n=Molzahl Gas
R=ideale Gaskonstante
T=absolute Temperatur
Der Wert von R hängt von den Einheiten Druck, Volumen und Temperatur ab.
R=0,0821 Liter · atm / mol · K (P=atm, V=L und T=K)
R=8,3145 J / mol · K (Druck x Volumen ist Energie, T=K)
R=8,2057 m 3 · atm / mol · K (P=atm, V=Kubikmeter und T=K)
R=62,3637 L · Torr / mol · K oder L · mmHg / mol · K (P=Torr oder mmHg, V=L und T=K)
Das ideale Gasgesetz funktioniert unter normalen Bedingungen gut für Gase. Zu den ungünstigen Bedingungen gehören hohe Drücke und sehr niedrige Temperaturen.

 

Kinetische Theorie der Gase

Die kinetische Theorie der Gase ist ein Modell zur Erklärung der Eigenschaften eines idealen Gases. Das Modell geht von vier Grundannahmen aus:

  1. Das Volumen der einzelnen Partikel, aus denen das Gas besteht, wird im Vergleich zum Volumen des Gases als vernachlässigbar angenommen.
  2. Die Partikel sind ständig in Bewegung. Kollisionen zwischen Partikeln und den Rändern des Behälters verursachen den Druck des Gases.
  3. Die einzelnen Gaspartikel üben keine Kräfte aufeinander aus.
  4. Die durchschnittliche kinetische Energie des Gases ist direkt proportional zur absoluten Temperatur des Gases. Die Gase in einem Gasgemisch bei einer bestimmten Temperatur haben die gleiche durchschnittliche kinetische Energie.

Die durchschnittliche kinetische Energie eines Gases wird durch die Formel ausgedrückt:
KE ave=3RT / 2
wobei
KE ave=durchschnittliche kinetische Energie.=ideale Gaskonstante
T=absolute Temperatur
Die durchschnittliche Geschwindigkeit oder quadratische mittlere Geschwindigkeit einzelner Gaspartikel kann gefunden werden unter Verwendung der Formel
V rms=[3RT / M] 1/2
wobei
V rms=Mittelwert oder Effektivwert quadratischen Geschwindigkeit
R=ideale Gaskonstante
T=absolute Temperatur
M = Molmasse

 

Dichte eines Gases </ h2>

Die Dichte eines idealen Gases kann unter Verwendung der Formel
ρ=PM / RT berechnet werden,
wobei
ρ=Dichte
P=Druck
M=Molmasse
R = ideale Gaskonstante
T=absolute Temperatur

 

Grahams Gesetz der Diffusion und des Ergusses

Das Grahamsche Gesetz legt fest, dass die Diffusions- oder Effusionsrate für ein Gas umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Molmasse des Gases ist.
r (M) 1/2=Konstante
wobei
r=Diffusions- oder Effusionsrate
M=Molmasse
Die Raten zweier Gase können unter Verwendung der Formel
r 1 / r 2=(M 2 ) 1/2 / ( miteinander verglichen werden ) M 1 ) 1/2

 

Echte Gase

Das ideale Gasgesetz ist eine gute Annäherung an das Verhalten realer Gase. Die durch das ideale Gasgesetz vorhergesagten Werte liegen typischerweise innerhalb von 5% der gemessenen realen Werte. Das ideale Gasgesetz versagt, wenn der Druck des Gases sehr hoch oder die Temperatur sehr niedrig ist. Die Van-der-Waals-Gleichung enthält zwei Modifikationen des idealen Gasgesetzes und wird verwendet, um das Verhalten realer Gase genauer vorherzusagen.
Die Van-der-Waals-Gleichung lautet
(P + an 2 / V 2 ) (V – nb)=nRT,
wobei
P=Druck
V=Volumen
a=für das Gas eindeutige Druckkorrekturkonstante
b=für das Gas eindeutige Volumenkorrekturkonstante
n=die Molzahl Gas
T=absolute Temperatur
Die Van-der-Waals-Gleichung enthält eine Druck- und Volumenkorrektur, um die Wechselwirkungen zwischen Molekülen zu berücksichtigen. Im Gegensatz zu idealen Gasen haben die einzelnen Partikel eines realen Gases Wechselwirkungen miteinander und ein bestimmtes Volumen. Da jedes Gas anders ist, hat jedes Gas seine eigenen Korrekturen oder Werte für a und b in der Van-der-Waals-Gleichung.

 

Arbeitsblatt üben und testen

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