Plin je stanje snovi brez določene oblike ali prostornine. Plini imajo svoje edinstveno vedenje, odvisno od različnih spremenljivk, kot so temperatura, tlak in prostornina. Medtem ko je vsak plin drugačen, vsi plini delujejo v podobni zadevi. Ta študijski vodnik izpostavlja koncepte in zakone, ki obravnavajo kemijo plinov.
Pritisk je a merilo količina sile na enoto površine. Tlak plina je količina sile, ki jo plin deluje na površino znotraj njegove prostornine. Plini z visokim tlakom izvajajo večjo silo kot plin z nizkim tlakom.
The SI enota tlaka je paskal (simbol Pa). Pascal je enak sili 1 newton na kvadratni meter. Ta enota ni zelo uporabna pri ravnanju s plini v resničnih razmerah, vendar je to standard, ki ga je mogoče izmeriti in reproducirati. Sčasoma so se razvile številne druge tlačne enote, večinoma se ukvarjajo s plinom, ki ga najbolj poznamo: zrak. Težava z zrakom, tlak ni stalen. Zračni tlak je odvisen od nadmorske višine in številnih drugih dejavnikov. Mnoge enote za tlak so prvotno temeljile na povprečnem zračnem tlaku na ravni morja, vendar so postale standardizirane.
Temperatura je lastnost snovi, povezana s količino energije sestavnih delcev.
Za merjenje te količine energije je bilo razvitih več temperaturnih lestvic, toda standardna lestvica SI je Kelvinska temperaturna lestvica. Dve običajni temperaturni lestvici sta Fahrenheitska (° 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 pomembno pretvoriti odčitki temperature do Kelvina.
Formule pretvorbe med temperaturnimi lestvicami:
K = ° C + 273,15
° C = 5/9 (° F - 32)
° F = 9/5 ° C + 32
STP pomeni standardna temperatura in pritisk. Nanaša se na pogoje v 1 atmosferi tlaka pri 273 K (0 ° C). STP se običajno uporablja pri izračunih z gostoto plinov ali v drugih primerih standardne državne pogoje.
Pri STP bo mol idealnega plina zasedel prostornino 22,4 L.
Daltonov zakon navaja, da je skupni tlak zmesi plinov enak vsoti vseh posameznih tlakov sestavnih plinov.
Pskupaj = PPlin 1 + PPlin 2 + PPlin 3 + ...
Znan je posamezni tlak sestavnega plina kot delni tlak plina. Delni tlak se izračuna po formuli
Pjaz = XjazPskupaj
kje
Pjaz = delni tlak posameznega plina
Pskupaj = skupni tlak
Xjaz = molski delež posameznega plina
Molski delež, Xjaz, se izračuna tako, da se število molov posameznega plina deli s skupnim številom molov mešanega plina.
Avogadrov zakon navaja, da je prostornina plina neposredno sorazmerna z število molov plina, ko tlak in temperatura ostaneta stalni. V bistvu: Plin ima prostornino. Dodajte več plina, če se tlak in temperatura ne spreminjata, plin zavzame večjo prostornino.
V = kn
kje
V = volumen k = konstanta n = število molov
Avogadrov zakon se lahko izrazi tudi kot
Vjaz/ njaz = Vf/ nf
kje
Vjaz in Vf sta začetni in končni obseg
njaz in nf sta začetno in končno število molov
Boyleov zakon o plinu navaja, da je prostornina plina obratno sorazmerna s tlakom, ko je temperatura konstantna.
P = k / V
kje
P = tlak
k = konstanta
V = prostornina
Boyleov zakon se lahko izrazi tudi kot
PjazVjaz = PfVf
kjer Pjaz in Pf so začetni in končni pritiski Vjaz in Vf so začetni in končni pritiski
Ko se glasnost povečuje, se tlak zmanjšuje ali ko se prostornina zmanjšuje, se bo tudi tlak povečal.
Charlesov zakon o plinu navaja, da je prostornina plina sorazmerna z njegovo absolutno temperaturo, kadar je tlak stalen.
V = kT
kje
V = prostornina
k = konstanta
T = absolutna temperatura
Charlesov zakon se lahko izrazi tudi kot
Vjaz/ Tjaz = Vf/ Tjaz
kjer je Vjaz in Vf sta začetni in končni obseg
Tjaz in Tf so začetne in končne absolutne temperature
Če je pritisk stalen in temperatura narašča, se bo količina plina povečala. Ko se plin hladi, se bo prostornina zmanjšala.
Fant-Lussacov zakon o plinu določa, da je tlak plina sorazmeren z njegovo absolutno temperaturo, kadar je prostornina konstantna.
P = kT
kje
P = tlak
k = konstanta
T = absolutna temperatura
Guy-Lussac zakon se lahko izrazi tudi kot
Pjaz/ Tjaz = Pf/ Tjaz
kjer Pjaz in Pf so začetni in končni pritiski
Tjaz in Tf so začetne in končne absolutne temperature
Če se temperatura poveča, se tlak plina poveča, če je prostornina konstantna. Ko se plin hladi, se bo tlak zmanjšal.
Zakon o idealnem plinu, znan tudi kot zakon o kombiniranem plinu, je kombinacija vseh spremenljivke v prejšnjih zakonih o plinu. The zakon o idealnem plinu se izrazi s formulo
PV = nRT
kje
P = tlak
V = prostornina
n = število molov plina
R = idealna konstanta plina
T = absolutna temperatura
Vrednost R je odvisna od enot tlaka, prostornine in temperature.
R = 0,0821 litrov · atm / mol · K (P = atm, V = L in T = K)
R = 8,3145 J / mol · K (Tlak x Volumen je energija, T = K)
R = 8,2057 m3· Atm / mol · K (P = atm, V = kubični meter 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 deluje dobro za pline v normalnih pogojih. Med neugodne razmere sodijo visoki tlaki in zelo nizke temperature.
Zakon o idealnem plinu je dober približek obnašanja pravih plinov. Vrednosti, ki jih predvideva zakon o idealnem plinu, so običajno znotraj 5% izmerjenih vrednosti realnega sveta. Zakon o idealnem plinu ne uspe, kadar je tlak plina zelo visok ali je temperatura zelo nizka. Enačba van der Waalsa vsebuje dve modifikaciji zakona o idealnem plinu in se uporablja za natančnejšo napoved obnašanja resničnih plinov.
Enačba van der Waalsa je
(P + an2/ V2) (V - nb) = nRT
kje
P = tlak
V = prostornina
a = konstantna korekcija tlaka, značilna samo za plin
b = konstantna korekcija prostornine, značilna samo za plin
n = število molov plina
T = absolutna temperatura
Van der Waalsova enačba vključuje korekcijo tlaka in volumna, da se upoštevajo medsebojni vplivi molekul. Za razliko od idealnih plinov imajo posamezni delci pravega plina medsebojno delovanje in imajo točno določeno prostornino. Ker je vsak plin drugačen, ima vsak plin svoje popravke ali vrednosti za a in b v enačbi van der Waals.