- Công thức và đơn vị
- Định luật Boyle-Mariotte
- Luật Charles-Gay-Lussac
- Định luật Avogadro
- Định luật khí lý tưởng phát biểu điều gì?
- Các ứng dụng
- Tính khối lượng riêng và khối lượng mol của một chất khí
- Tính thể tích của một chất khí sinh ra trong phản ứng hoá học
- Tính áp suất riêng phần của các khí có trong hỗn hợp
- Thể tích các khí thu được trong nước
- Ví dụ về tính toán
- Bài tập 1
- Bài tập 2
- Bài tập 3
- Bài tập 4
- Người giới thiệu
Định luật khí lý tưởng là một phương trình trạng thái mô tả mối quan hệ giữa các hàm trạng thái liên kết với khí lý tưởng; chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, thể tích và số mol. Luật này cho phép nghiên cứu các hệ thống khí thực bằng cách so sánh chúng với các phiên bản lý tưởng hóa của chúng.
Khí lý tưởng là một chất khí lý thuyết, được tạo thành từ các hạt điểm hoặc hình cầu chuyển động ngẫu nhiên; với động năng lớn, nơi tương tác duy nhất giữa chúng là những cú sốc hoàn toàn đàn hồi. Ngoài ra, chúng tuân theo định luật khí lý tưởng.
Định luật khí lý tưởng cho phép nghiên cứu và hiểu biết về nhiều hệ thống khí thực. Nguồn: Pxhere.
Ở áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn (STP): áp suất 1 atm và nhiệt độ 0 ºC, hầu hết các khí thực hoạt động về mặt chất lượng như khí lý tưởng; miễn là mật độ của chúng thấp. Khoảng cách lớn giữa các phân tử hoặc giữa các nguyên tử (đối với khí quý) tạo điều kiện cho phép tính gần đúng như vậy.
Trong điều kiện STP, oxy, nitơ, hydro, khí quý và một số khí hợp chất, chẳng hạn như carbon dioxide, hoạt động giống như khí lý tưởng.
Mô hình khí lý tưởng có xu hướng thất bại ở nhiệt độ thấp, áp suất cao và mật độ hạt cao; khi tương tác giữa các phân tử, cũng như kích thước hạt, trở nên quan trọng.
Định luật khí lý tưởng là sự hợp thành của ba định luật khí: định luật Boyle và Mariotte, định luật Charles và Gay-Lussac, và định luật Avogadro.
Công thức và đơn vị
Định luật chất khí được biểu thị bằng toán học với công thức:
PV = nRT
Trong đó P là áp suất của một chất khí. Nó thường được biểu thị bằng đơn vị khí quyển (atm), mặc dù nó có thể được biểu thị bằng các đơn vị khác: mmHg, pascal, bar, v.v.
Thể tích V của một chất khí thường được biểu thị bằng đơn vị lít (L). Trong khi n là số mol, R là hằng số khí phổ quát và T là nhiệt độ biểu thị bằng Kelvin (K).
Biểu thức được sử dụng nhiều nhất trong các chất khí đối với R bằng 0,08206 L · atm · K -1 · mol -1 . Mặc dù đơn vị SI cho hằng số khí có giá trị 8,3145 J · mol -1 · K -1 . Cả hai đều hợp lệ miễn là bạn cẩn thận với các đơn vị của các biến khác (P, T và V).
Định luật khí lý tưởng là sự kết hợp của định luật Boyle-Mariotte, định luật Charles-Gay-Lussac và định luật Avogadro.
Định luật Boyle-Mariotte
Tăng áp suất bằng cách giảm thể tích của bình chứa. Nguồn: Gabriel Bolívar
Nó được xây dựng độc lập bởi nhà vật lý Robert Boyle (1662) và nhà vật lý và thực vật học Edme Mariotte (1676). Định luật được phát biểu như sau: ở nhiệt độ không đổi, thể tích của một khối khí cố định tỉ lệ nghịch với áp suất nó tác dụng.
PV ∝ k
Bằng cách sử dụng dấu hai chấm:
P 1 V 1 = P 2 V 2
Luật Charles-Gay-Lussac
Đèn lồng Trung Quốc hoặc bóng bay điều ước. Nguồn: Pxhere.
Luật được Gay-Lussac xuất bản năm 1803, nhưng nó liên quan đến tác phẩm chưa được xuất bản của Jacques Charles (1787). Vì lý do này, luật được gọi là định luật Charles.
Định luật phát biểu rằng ở áp suất không đổi, có mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa thể tích của một chất khí và nhiệt độ của nó.
V ∝ k 2 T
Bằng cách sử dụng dấu hai chấm:
V 1 / T 1 = V 2 / T 2
V 1 T 2 = V 2 T 1
Định luật Avogadro
Định luật được Amadeo Avogadro đưa ra vào năm 1811, chỉ ra rằng thể tích bằng nhau của tất cả các chất khí, ở cùng áp suất và nhiệt độ, có cùng số phân tử.
V 1 / n 1 = V 2 / n 2
Định luật khí lý tưởng phát biểu điều gì?
Định luật khí lý tưởng thiết lập mối quan hệ giữa bốn tính chất vật lý độc lập của khí: áp suất, thể tích, nhiệt độ và lượng của chất khí. Chỉ cần biết giá trị của ba trong số chúng là đủ để có được một trong những phần còn lại.
Luật thiết lập các điều kiện cho biết khi nào một chất khí hoạt động lý tưởng và khi nào nó rời khỏi hành vi này.
Ví dụ, cái gọi là hệ số nén (PV / nRT) có giá trị là 1 đối với khí lý tưởng. Sự khác biệt so với giá trị 1 của hệ số nén cho thấy rằng hoạt động của chất khí khác xa với giá trị của khí lý tưởng.
Do đó, sẽ mắc sai lầm khi áp dụng phương trình khí lý tưởng cho một chất khí không hoạt động theo mô hình.
Các ứng dụng
Tính khối lượng riêng và khối lượng mol của một chất khí
Phương trình định luật khí lý tưởng có thể được sử dụng để tính khối lượng riêng của một chất khí và khối lượng mol của nó. Bằng cách thực hiện một sửa đổi đơn giản, một biểu thức toán học có thể được tìm thấy liên hệ giữa khối lượng riêng (d) của một chất khí và khối lượng mol của nó (M):
d = MP / RT
Và xóa M:
M = dRT / P
Tính thể tích của một chất khí sinh ra trong phản ứng hoá học
Stoichiometry là một nhánh của hóa học liên quan đến số lượng của mỗi chất phản ứng có mặt với các sản phẩm tham gia phản ứng hóa học, thường được biểu thị bằng mol.
Việc sử dụng phương trình khí lý tưởng cho phép xác định thể tích của một chất khí sinh ra trong một phản ứng hóa học; vì số mol có thể thu được từ phản ứng hóa học. Khi đó thể tích của khí có thể tính được:
PV = nRT
V = nRT / P
Bằng cách đo V, có thể xác định được sản lượng hoặc tiến trình của phản ứng nói trên. Khi không còn khí nữa, chứng tỏ thuốc thử đã hết.
Tính áp suất riêng phần của các khí có trong hỗn hợp
Định luật khí lý tưởng có thể được sử dụng, cùng với định luật áp suất riêng của Dalton, để tính áp suất riêng phần của các khí khác nhau có trong hỗn hợp khí.
Mối quan hệ áp dụng:
P = nRT / V
Để tìm áp suất của mỗi khí có trong hỗn hợp.
Thể tích các khí thu được trong nước
Một phản ứng được thực hiện tạo ra một chất khí, khí này được thu thập bằng phương pháp thiết kế thí nghiệm trong nước. Đã biết tổng áp suất khí cộng với áp suất hơi nước. Giá trị của giá trị sau có thể được tính trong bảng và bằng cách trừ áp suất của khí.
Từ phép đo phân tích của phản ứng hóa học, có thể thu được số mol khí và áp dụng mối quan hệ:
V = nRT / P
Tính thể tích khí sinh ra.
Ví dụ về tính toán
Bài tập 1
Một chất khí có khối lượng riêng 0,0847 g / L ở 17 ° C và áp suất 760 torr. Khối lượng mol của nó là bao nhiêu? Khí là gì?
Chúng ta bắt đầu từ phương trình
M = dRT / P
Đầu tiên chúng ta chuyển đổi các đơn vị nhiệt độ sang kelvin:
T = 17 ºC + 273,15 K = 290,15 K
Và áp suất 760 torr tương ứng với áp suất 1 atm. Bây giờ bạn chỉ cần thay thế các giá trị và giải quyết:
M = (0,0847 g / L) (0,08206 L atm K -1 mol -1 ) (290,15 K) / 1 atm
M = 2,016 g / mol
Khối lượng mol này có thể tương ứng với một loại duy nhất: phân tử hydro điatomic, H 2 .
Bài tập 2
Một khối lượng 0,00553 g thủy ngân (Hg) trong pha khí được tìm thấy ở thể tích 520 L, và ở nhiệt độ 507 K. Tính áp suất do Hg tác dụng. Khối lượng mol của Hg là 200,59 g / mol.
Vấn đề được giải quyết bằng cách sử dụng phương trình:
PV = nRT
Thông tin về số mol Hg không xuất hiện; nhưng chúng có thể thu được bằng cách sử dụng khối lượng mol của chúng:
Số mol Hg = (0,00553 g Hg) (1 mol Hg / 200,59 g)
= 2.757 10 -5 mol
Bây giờ chúng ta chỉ cần giải quyết cho P và thay thế các giá trị:
P = nRT / V
= (2,757 · 10 -5 mol) (8,206 · 10 -2 L · atm · K -1 · mol -1 ) (507 K) / 520 L
= 2,2 10-6 atm
Bài tập 3
Tính áp suất do axit clohiđric tạo ra khi cho 4,8 g khí clo (Cl 2 ) phản ứng với khí hiđro (H 2 ), có thể tích 5,25 L và ở nhiệt độ 310 K. Khối lượng mol của Cl 2 là 70,9 g / mol.
H 2 (g) + Cl 2 (g) → HCl 2 (g)
Bài toán được giải bằng cách sử dụng phương trình khí lý tưởng. Nhưng khối lượng HCl được biểu thị bằng gam chứ không phải bằng mol, do đó, chuyển đổi thích hợp được thực hiện.
Số mol HCl = (4,8 g Cl 2 ) (1 mol Cl 2 / 70,9 g Cl 2 ) (2 mol HCl / 1 mol Cl 2 )
= 0,135 mol HCl
Áp dụng phương trình định luật khí lý tưởng:
PV = nRT
P = nRT / V
= (0,135 mol HCl) (0,08206 L atm K -1 mol -1 ) (310 K) / 5,25 L
= 0,65 atm
Bài tập 4
Một mẫu 0,130 g hợp chất ở thể khí chiếm thể tích 140 mL ở nhiệt độ 70 ° C và áp suất 720 torr. Khối lượng mol của nó là bao nhiêu?
Để áp dụng phương trình khí lý tưởng, trước tiên phải thực hiện một số thay đổi:
V = (140 mL) (1 L / 1000 mL)
= 0,14 L
Lấy thể tích tính bằng lít, bây giờ chúng ta phải biểu thị nhiệt độ bằng kelvin:
T = 70 ºC + 273,15 K = 243,15 K
Và cuối cùng, chúng ta phải chuyển đổi áp suất theo đơn vị khí quyển:
P = (720 torr) (1 atm / 760 torr)
= 0,947 atm
Bước đầu tiên để giải bài toán là nhận được số mol của hợp chất. Đối với điều này, phương trình khí lý tưởng được sử dụng và chúng ta giải cho n:
PV = nRT
n = PV / RT
= (0,947 atm) (0,14 L) / (0,08206 L atm K -1 mol -1 ) (243,15 K)
= 0,067 mol
Bạn chỉ cần tính khối lượng mol bằng cách chia số gam cho số mol thu được:
Khối lượng mol = gam hợp chất / số mol.
= 0,130 g / 0,067 mol
= 19,49 g / mol
Người giới thiệu
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập.
- Ira N. Levine. (2014). Nguyên lý Hóa lý. Phiên bản thứ sáu. Đồi Mc Graw.
- Glasstone. (1970). Hiệp ước hóa lý. Phiên bản thứ hai. Aguilar.
- Mathews, CK, Van Holde, KE, và Ahern, KG (2002). Hóa sinh. 3 là Phiên bản. Nhà xuất bản Pearson Addison Wesley.
- Wikipedia. (2019). Khí lý tưởng. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
- Nhóm biên tập. (2018). Định luật Boyle hay định luật Boyle-Mariotte - Các định luật về chất khí. Phục hồi từ: iquimicas.com
- Jessie A. Key. (sf). Định luật khí lý tưởng và một số ứng dụng. Đã khôi phục từ: opentextbc.ca