Следствие: при нормальных условиях (н.у.) один моль любого газа занимает объем, равный 22,4 л.

Газовые законы химии

Величина давления газа (пара) изменяется в различных единицах. Установлены следующие основные единицы давления (ГОСТ 7664 – 61): миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.), техническая атмосфера (ат, кгс/см², или кГ/см²), мм водяного столба (мм вод. ст.).

В международной системе СИ за единицу давления принятого давление в 1 ньютон на 1 квадратный метр 1н/м²= 1 Па. Эта величина очень мала и обычно ее укрупняют: килоньютон на квадратный метр, меганьютон на квадратный метр. Для технических расчетов обычно принимают, что 1 атм равна приближенно 0,1 мн/м². Иногда используют внесистемную единицу давления: бар,

1 бар = 10⁵ н/м², а так же единицы меньше бара – миллибар (10^-3 бар) и микробар (10^-6 бар).

	Физическая атмосфера атм.	Техническая атмосфера, ат, кгс/см2, кГ/см2	мм рт. ст.
1 физическая атмосфера		1,0332
1 техн. атмосфера	0,968		735,6
1 мм рт. ст.	0,001316	0,00136
1 мм вод. ст.	0,0000968	0,00001	0,07356
1м вод. ст.	0,0968	0,1	73,56
1н/м	0,98692 .10-5	1,02 . 10-5	0,0075
1 бар	0,98692	1,02	750,1
Па	1,013 ∙10-5	1,02 . 10-5	7,5∙10-3

Нормальные условия (н.у.): давление Р=10⁵ Па и температуре Т= 273 ºК = 0 ºС.

Закон Авогадро и следствие из него

Для количественной характеристики любого газа используют давление, температуру и объем.

З акон Авогадро: одинаковые объемы различных газов при одинаковых условиях (давлении и температуре) содержат одинаковое число молекул

6, 02∙10²³ штук (число Авогадро).

Следствие: при нормальных условиях (н.у.) один моль любого газа занимает объем, равный 22,4 л.

Пример: углекислый газ CO₂. Имеем М(CO₂) = 44г/моль Значит, один моль CO₂ имеет массу 44 г и занимает объем (при н.у.), равный 22,4 л, а также содержит в этом объеме 6,02·10²³ молекул газа.

Объем 22,4 л называют молярным (мольным) объемом газа и обозначают соответственно M_V = 22,4 л/моль.

Пример: углекислый газ CO₂. М(CO₂) = 44 г/моль → один моль CO₂ имеет массу 44 г и занимает объем (при н.у.), равный 22,4 л, содержит в этом объеме 6,02·10²³ молекул газа.

Связь между массой m и объемом V конкретного газа при н.у. определяется формулой:

m = ν M = V: Vм

Если условия, в которых находится газ отличается от нормальных, то используют уравнение Менделеева-Клапейрона, которое связывает все основные параметры идеального газа: p, V и T. Уравнение состояния идеального газа в форме было впервые получено Д. И. Менделеевым.

PV= m: М ∙RT – уравнение состояния идеального газа произвольной массы

где: P - давление газа, Па;

V - объем газа, м³;

m - масса газа, г;

M - мольная масса газа, г/моль;

R - универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/моль·К

T - температура газа, К.

 

Величина, зависящая от рода газа - его молярная масса.

Из уравнения состояния вытекает связь между давлением, объемом и температурой идеального газа, который может находиться в двух любых состояниях.

Если индексом 1 обозначить параметры, относящиеся к первому состоянию, а индексом 2 - параметры, относящиеся ко второму состоянию, то согласно уравнению для газа данной массы.

Правые части этих уравнений одинаковы, следовательно, должны быть равны и их левые части: - Уравнение Клапейрона

Закон Дальтона объемы реагирующих газов и продуктов их реакций относятся друг к другу как небольшие целые числа (коэффициенты уравнения реакции).

Если рассмотреть уравнению химической реакции, то, с учетом молярных объемов газов, его можно представить в следующем виде

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О(газ)

2 молекулы 1 молекулы 2 молекулы

200 молекул 100 молекул 200 молекул

2·6,02·10²³ мол 1·6,02·10²³ мол 2·6,02·10²³ мол

 

2 моль + 1 моль = 2 моль

2 · 22,4 л 1 · 22,4 л 2 · 22,4 л

 

Из приведенного примера видно, что массы газов заменены на мольные объемы.

Закон парциальных давлений - парциальное давление представляет собой частичное давление, создаваемое отдельным газом.

На практике часто приходится встречаться со смесью различных газов (например, воздух), В этом случае необходимо применять газовые законы для каждого газа в отдельности и затем суммировать полученные величины.

При этом пользуются также законом парциальных давлений: общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений отдельных газов, составляющих данную смесь Р_общ = Р₁ + Р₂ +.. + Рn

 

Газовые законы - количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном (постоянном) значении третьего.

Процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, называют изопроцессами (от греческого слова «изос» - равный).

Изопроцесс - это идеализированная модель реального процесса, которая приближенно отражает действительность.

1. Изотермический процесс - процесс изменения состояния системы макроскопических тел (термодинамической системы) при постоянной температуре. Т- const

Для поддержания температуры газа постоянной необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой - термостатом. Иначе при сжатии или расширении температура газа будет меняться. Термостатом может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении всего процесса.

Согласно уравнению состояния идеального газа (10.4) в любом состоянии с неизменной температурой произведение давления газа на его объем остается постоянным:

 

- закон Бойля - Мариотта. Для газа данной массы при постоянной температуре произведение давления газа на его объем постоянно.

Р₁∙V₁= P₂∙V₂

Этот закон экспериментально был открыт английским ученым Р. Бойлем (1627-1691) и несколько позже французским ученым Э. Мариоттом (1620-1684).

Закон Бойля - Мариотта справедлив для любых газов, а также и для их смесей, например для воздуха. При давлениях, в несколько сотен раз больших атмосферного, отклонения от этого закона становятся существенными.

Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре графически изображают кривой, которую называют изотермой.

Изотерма газа изображает обратно пропорциональную зависимость между давлением и объемом. Кривую такого рода в математике называют гиперболой.

 

Равновесное состояние - это состояние, при котором температура и давление во всех точках объема одинаковы. Параметры состояния газа могут быть определены, если он находится в равновесном состоянии.

Равновесный процесс - процесс, при котором все промежуточные состояния газа являются равновесными.

2. Изобарный процесс. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называют изобарным (от греческого слова «барос» - вес). Р=const

Согласно уравнению (10.4) в любом состоянии газа с неизменным давлением отношение объема газа к его температуре остается постоянным:

Согласно уравнению (10.7) объем газа при постоянном давлении пропорционален температуре:

- закона Гей-Люссака. 1802 г Для газа данной массы при постоянном давлении отношение объема к температуре постоянно.

V₁:Т₁ = V₂: Т₂

 

Эта зависимость графически изображается прямой, которая называется изобарой (рис.10.2). Разным давлениям соответствуют разные изобары. С ростом давления объем газа при постоянной температуре согласно закону Бойля - Мариотта уменьшается.

Поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению p₂, лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению p₁.

В области низких температур все изобары идеального газа сходятся в точке T= 0. Но это не означает, что объем реального газа обращается в ноль.

Пример изобарного процесса - расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем, если внешнее давление постоянно. Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнюю поверхность поршня.

 

3. Изохорный процесс. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным (от греческого слова «хорема» - вместимость, объем). V- const.

Из уравнения состояния (10.4) вытекает, что в любом состоянии газа с неизменным объемом отношение давления газа к его температуре остается постоянным:

закона Шарля 1787 г. - Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется.

Р₁: V₁ = Р₂: V₂

Эта зависимость изображается прямой, называемой изохорой (рис.10.3). Разным объемам соответствуют разные изохоры. С ростом объема газа при постоянной температуре давление его согласно закону Бойля - Мариотта падает. Поэтому изохора, соответствующая большему объему V2, лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объему V1.

 

В соответствии с уравнением (10.10) все изохоры идеального газа начинаются в точке T=0. Значит, давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю.

Увеличение давления газа в любом сосуде или в электрической лампочке при нагревании можно считать изохорным процессом. Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема.

Вакуум (от лат. vасuum — пустота) - состояние газа или пара при давлении ниже атмосфер­ного. Количественной характеристи­кой вакуума служит абсолютное дав­ление. Вакууму обычно соответствует область давления ниже 10⁵ Па.

Вакуумная техника — прикладная наука, изучающая проблемы получе­ния и поддержания вакуума, прове­дения вакуумных намерений, а также вопросы разработки, конструирования и применения вакуумных систем и их функциональных элементов. Разрежен­ные газы по своим свойствам практи­чески не отличаются от идеальных. В технике вакуум создают с помощью вакуумных насосов различных прин­ципов действия.

в основу условного разделения областей вакуума на сле­дующие диапазоны: низкий, средний, высокий и сверхвысокий.

Степень вакуума в откачиваемых сосудах определяется равновесным дав­лением,

устанавливающимся под дей­ствием противоположных процессов откачки газа насосом и поступления газа

в рабочий объем вследствие натекания через неплотности, а также технологического газовыделения.

В вакуумной технике за единицу давления принимают 1 мм рт. ст.

В соответствии с международной системой единиц измерения (СИ) введена новая единица давления, равная давлению силы в один ньютон на квадратный метр (Н/м²);

1 мм рт. ст. = 133,3 Н/м² = 1 Па

 

 

Степень вакуума	область давлений в Па	область давлений в мм рт.ст
Низкий вакуум	от 105до 100 Па	760 - 10-2
Средний вакуум	от 100 до 0,1 Па	10-2 - 10-4
Высокий вакуум	от 0,1 до 10-5 Па	10-4 - 10-7
Сверхвысокий вакуум	давлений менее10-5 Па	10 - 8- 10 - 12

 

 

Маркировка баллонов

Газ	Цвет баллона	Цвет надписи	Цвет полосы	Пример
Азот	Чёрный	Жёлтый	Коричневый	Азот
Аммиак	Жёлтый	Чёрный	—	Аммиак
Аргон сырой	Чёрный	Белый	Белый	Аргон сырой
Аргон технический	Чёрный	Синий	Синий	Аргон технический
Аргон чистый	Серый	Зелёный	Зелёный	Аргон чистый
Ацетилен	Белый	Красный	—	Ацетилен
Бутилен	Красный	Жёлтый	Чёрный	Бутилен
Водород	Тёмно-зелёный	Красный	—	Водород
Гелий	Коричневый	Белый	—	Гелий
Закись азота	Серый	Чёрный	—	Закись азота
Кислород	Голубой	Чёрный	—	Кислород
Кислород медицинский	Голубой	Чёрный	—	Кислород медицинский
Нефтегаз	Серый	Красный	—	Нефтегаз
Сернистый ангидрид	Чёрный	Белый	Жёлтый	Сернистый ангидрид
Сероводород	Белый	Красный	Красный	Сероводород
Сжатый воздух	Чёрный	Белый	—	Сжатый воздух
Углекислота	Чёрный	Жёлтый	—	Углекислота
Фосген	Защитный	—	Красный	Фосген
Фреон-11	Серебристый	Чёрный	Синий	Фреон-11
Фреон-12	Серебристый	Чёрный	—	Фреон-12
Фреон-13	Серебристый	Чёрный	Две красных	Фреон-13
Фреон-22	Серебристый	Чёрный	Три жёлтых	Фреон-22
Хлор	Защитный	—	Зелёный	Хлор
Циклопропан	Оранжевый	Чёрный	—	Циклопропан
Этилен	Фиолетовый	Красный	—	Этилен
Все остальные горючие газы	Красный	Белый	—	Газ
Все остальные негорючие газы	Чёрный	Жёлтый	—	Газ