Ιδανικό Αέριο Ιδιότητες και Χαρακτηριστικά

Τα αέρια είναι μια από τις θεμελιώδεις καταστάσεις των ουσιών. Το αέριο είναι μια συλλογή μορίων που χωρίζονται από μια σημαντική απόσταση. Τα ιδανικά αέρια είναι εκείνα στα οποία τα μόρια συγκρούονται με ελαστικούς τρόπους. Σε αυτά τα τέλεια αέρια, δεν υπάρχουν διαμοριακές δυνάμεις έλξης. Ωστόσο, δεν υπάρχουν πράγματα όπως τέλεια αέρια στην πραγματικότητα.

Έννοια του ιδανικού αερίου

Τα σωματίδια σε ένα ιδανικό αέριο δεν έλκονται ούτε απωθούν το ένα το άλλο, ούτε καταλαμβάνουν χώρο (τα σωματίδια δεν έχουν όγκο). Οι μακροσκοπικές ιδιότητες των ιδανικών αερίων σχετίζονται με τον νόμο των ιδανικών αερίων (PV =nRT). Αν και κανένα αέριο δεν είναι εντελώς τέλειο, ο νόμος του ιδανικού αερίου παρέχει μια αξιοπρεπή προσέγγιση της συμπεριφοράς του πραγματικού αερίου σε πολλές καταστάσεις. Κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, τα αέρια αποδίδουν ιδανικά. Έτσι, σε θερμοκρασία δωματίου, ένα ιδανικό αέριο δεν θα σχημάτιζε υγρό λόγω όλων αυτών των υποθέσεων.

Ιδιότητες ενός ιδανικού αερίου

Ένα ιδανικό αέριο έχει μια σειρά από ιδιότητες και τα πραγματικά αέρια συχνά συμπεριφέρονται εξαιρετικά παρόμοια με τα ιδανικά αέρια. Ακολουθούν ορισμένες από τις ιδιότητες ενός ιδανικού αερίου:

• Ένας μεγάλος αριθμός παρόμοιων μορίων αποτελεί ένα ιδανικό αέριο.
• Σε σύγκριση με τον όγκο που καταλαμβάνεται από το αέριο, ο όγκος που καταλαμβάνουν τα μόρια είναι ασήμαντος.
• Τα μόρια κινούνται με τυχαίο μοτίβο, υπακούοντας στους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα.
• Τα μόρια υπόκεινται σε δυνάμεις μόνο όταν συγκρούονται. οποιεσδήποτε συγκρούσεις είναι πλήρως ελαστικές και χρειάζονται μόνο ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.
• Η μέση κινητική ενέργεια όλων των αερίων σε μια δεδομένη θερμοκρασία είναι η ίδια.
• Τα μόρια αερίου που είναι ελαφρύτερα ταξιδεύουν πιο γρήγορα από τα βαρύτερα μόρια.
• Η μάζα ενός ιδανικού αερίου μπορεί να αγνοηθεί στην εξίσωση επειδή δεν έχει καμία. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα ιδανικό αέριο αναφέρεται ως ένα σωματίδιο που δεν έχει μάζα.

Χαρακτηριστικά του Ideal Gas

Τα κρίσιμα χαρακτηριστικά ενός ιδανικού αερίου είναι τα εξής:

• Αποτελούνται από μόρια και άτομα, τα οποία είναι μικροσκοπικά σωματίδια.
• Αν και τα σωματίδια μεμονωμένα δεν έχουν όγκο, το αέριο ως σύνολο έχει. Σημαίνει ότι τα σωματίδια που υπάρχουν στο αέριο έχουν πολύ μικρό όγκο. Ως αποτέλεσμα, όλα τα σωματίδια έχουν τώρα κάποιο όγκο. Ωστόσο, λόγω του πόσο μικρό μπορεί να είναι, αυτή η συνθήκη δεν ισχύει για όλα τα αέρια.
• Οι δυνάμεις έλξης μεταξύ των σωματιδίων αερίου πιστεύεται ότι είναι ασήμαντες. Οι δυνάμεις έλξης είναι αδύναμες, αλλά υπάρχουν. Ως αποτέλεσμα, αυτή η απαίτηση δεν ισχύει για όλα τα αέρια.
• Οι μεμονωμένες συγκρούσεις μορίων αερίου περιγράφονται ως πλήρως ελαστικές συγκρούσεις. Γνωρίζουμε επίσης ότι καμία σύγκρουση δεν είναι απόλυτα ανελαστική ή ελαστική ταυτόχρονα. Ως αποτέλεσμα, αυτή η απαίτηση δεν ισχύει για όλα τα αέρια.
• Τα σωματίδια αερίου θα κινούνται πάντα με τυχαίο μοτίβο. Αυτό συμβαίνει γιατί όταν τα σωματίδια αερίου κινούνται, διαστέλλονται. Αυτό ισχύει για όλα τα αέρια.

Ο νόμος του ιδανικού αερίου

Υπάρχουν τρεις νόμοι που έχουν προταθεί σύμφωνα με τους οποίους συμπεριφέρονται τα ιδανικά αέρια. Αυτά είναι τα εξής:

• Νόμος του Charles:Όταν η πίεση διατηρείται σταθερή, ο νόμος του Charles περιγράφει την ακριβώς αναλογική σχέση μεταξύ του όγκου και της θερμοκρασίας (σε Kelvin) μιας ορισμένης ποσότητας αερίου. Έτσι, το παράγωγο του νόμου του Καρόλου μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

V∝ T

• Νόμος του Boyle:Σύμφωνα με το νόμο του Boyle, ο όγκος ενός αερίου είναι αντιστρόφως ανάλογος της πίεσής του σε οποιαδήποτε σταθερή θερμοκρασία και αριθμό moles. Η παράγωγος μπορεί να εκφραστεί με τον ακόλουθο τρόπο:

• Νόμος του Avogadro:Σε σταθερή πίεση και θερμοκρασία, ο όγκος ενός αερίου είναι ευθέως ανάλογος με τον αριθμό των mole του, σύμφωνα με το νόμο του Avogadro. Η παράγωγος μπορεί να εκφραστεί με τον ακόλουθο τρόπο:

V∝ n

Έτσι, μπορούμε να εξαγάγουμε τον νόμο του ιδανικού αερίου με βάση τους διαφορετικούς νόμους των ιδανικών αερίων που αναφέρθηκαν παραπάνω. Μπορεί να επαναληφθεί ως εξής:

Εδώ, το R αναφέρεται στη σταθερά αναλογικότητας.

Έτσι, εξάγουμε την ακόλουθη απάντηση αναδιατάσσοντας τις προηγούμενες εξισώσεις:

pV =nRT

Έτσι, το R είναι η καθολική σταθερά αερίου, η οποία είναι ίδια για όλα τα αέρια. Η εξίσωση του ιδανικού αερίου είναι η λύση της παραπάνω εξίσωσης. Ως αποτέλεσμα, n moles οποιουδήποτε αερίου θα έχουν τον ίδιο όγκο σε σταθερή πίεση και θερμοκρασία.

Λυμένο παράδειγμα

Ένας χημικός έχει αέριο σε πίεση 15,0 atm, σε όγκο 25,0 L και θερμοκρασία 300 K. Μάθετε τον όγκο του αερίου σε τυπική θερμοκρασία και πίεση.

Σημειώστε ότι η τυπική πίεση είναι 1,00 atm και η τυπική θερμοκρασία είναι 0 oC (ή 273 K).

Λύση:

Μας έχουν δοθεί οι ακόλουθες τιμές:

Έτσι, θα αντικαταστήσουμε αυτές τις μεταβλητές στην εξίσωση του νόμου του ιδανικού αερίου, ως εξής:

Τώρα θα βρούμε τον όγκο, V2, πολλαπλασιάζοντας και τις δύο πλευρές με την τυπική θερμοκρασία, 273 K και διαιρώντας και τις δύο πλευρές με την τυπική πίεση 1,00 atm: 

Συμπέρασμα

Ένα ιδανικό αέριο έχει μια σειρά από ιδιότητες, και τα πραγματικά αέρια έχουν συχνά μια συμπεριφορά εξαιρετικά παρόμοια με αυτή των ιδανικών αερίων. Υπάρχουν τρεις νόμοι που έχουν προταθεί σύμφωνα με τους οποίους συμπεριφέρονται τα ιδανικά αέρια – ο νόμος του Charles, ο νόμος του Boyle και ο νόμος του Avogadro.