Eigenschaften und Gesetze idealer Gase

Eigenschaften und Zusammensetzung der Luft

Die ersten untersuchten Eigenschaften von Gasen waren ihre Transparenz, die Fähigkeit zur Kompression und Expansion sowie ihre Diffusionskapazität.

Der Luftdruck

Die erste Eigenschaft der Luft, die quantitativ untersucht wurde, war der Druck. Dessen Messung ist unerlässlich, um die Gesetze der Gase aufzustellen.

Chemische Zusammensetzung der Luft

Die Erdatmosphäre ist eine Mischung aus Gasen. Vier von ihnen bilden 99 Prozent des Gesamtvolumens und werden oft als Hauptbestandteile der Luft bezeichnet. Dies liegt an der Variabilität ihrer Präsenz in der Luft. Die Konzentration der meisten atmosphärischen Gase unterliegt saisonalen und höhenbedingten Schwankungen.

Ideal-Gasgesetze

Boylesches Gesetz

Die Kompressibilität der Luft ist eine erwiesene Tatsache. In einem J-förmigen Glasrohr, das an einem Ende geschlossen ist, wurde eine Menge Quecksilber eingefüllt, sodass am geschlossenen Ende ein Luftvolumen gefangen war. Durch das Hinzufügen aufeinanderfolgender Mengen von Quecksilber konnte die Luft stärker komprimiert werden. Nach jedem Teil des Quecksilbers wurden das Gesamtvolumen der eingeschlossenen Luft und der Druck, dem sie ausgesetzt war, gemessen. PV = konstant. Boyle konnte die Temperatur bei seinem Experiment nicht kontrollieren, nahm aber an, dass sie konstant blieb. Bei konstanter Temperatur sind Druck und Volumen einer festen Gasmenge umgekehrt proportional.

Gesetz von Charles und Gay-Lussac

Nach der Arbeit von Boyle gab es nachhaltige Anstrengungen, die Wirkung von Temperaturänderungen auf Druck und Volumen eines Gases zu entdecken. Die Wiederholung des Boyle-Versuchs bei verschiedenen Temperaturen ergab verschiedene Kurven, die sogenannten Isothermen. Die Existenz dieser Kurven ist ein Indiz dafür, dass die Temperatur den Druck bei gleichem Volumen oder das Volumen bei gleichem Druck beeinflusst. Wenn der Druck konstant bleibt, steigt das Volumen mit zunehmender Temperatur, das heißt, das Gas dehnt sich aus. Das Verhältnis zwischen Volumen und Temperatur wurde von Charles bestimmt. In einem an einem Ende geschlossenen Rohr wurde eine kleine Menge Quecksilber platziert, die eine bestimmte Luftmasse im geschlossenen Ende einschloss. Mit zunehmender Temperatur wurde beobachtet, dass das Quecksilber die Zunahme des Volumens der eingeschlossenen Luft anzeigte. Die Ergebnisse des Experiments können in einem Temperatur-Volumen-Diagramm dargestellt werden, wobei eine Linie entsteht, die die x-Achse im ersten Quadranten schneidet. Wird die Linie zu negativen Temperaturen verlängert, schneidet sie die Achse bei -273 °C. V / T = konstant.

Für eine feste Gasmenge, die bei konstantem Druck gehalten wird, sind Volumen und absolute Temperatur direkt proportional. Dieses Gesetz wurde 1808 von Gay-Lussac aufgestellt und durch Dalton bestätigt. Die Gesetze von Boyle und Charles lassen sich in einer Gleichung kombinieren, die Druck, Volumen und Temperatur für eine bestimmte Gasmasse in Beziehung setzt. Angenommen, eine Gasmasse ist in einem Ballon eingeschlossen und durchläuft drei aufeinanderfolgende Zustände, die durch die Werte von Volumen, Temperatur und Druck gekennzeichnet sind. Dieses Gesetz ist sehr nützlich, um das Volumen eines Gases unter bestimmten P- und T-Bedingungen zu bestimmen, wenn man das eingenommene Volumen desselben Gases unter anderen Bedingungen kennt.

Avogadros Hypothese

Die 1811 aufgestellte Hypothese von Avogadro besagt, dass gleiche Volumina aller Gase unter gleichen Druck- und Temperaturbedingungen die gleiche Anzahl an Molekülen enthalten. Die Skala zur Messung der Gasmenge ist die Anzahl der Moleküle, was zur Einführung des Konzepts des Mols führte. Ersetzt man in der Summe der Gesetze den konstanten Term durch die Anzahl der Mole des Gases, erhält man die allgemeine ideale Gasgleichung: PV = nRT. In dieser Gleichung ist R die ideale Gaskonstante, deren Wert von den Einheiten abhängt, in denen Druck und Volumen gemessen werden. Wenn das Volumen in Litern, der Druck in Atmosphären und die Temperatur in Kelvin gemessen wird: R = 0,082 atm·l / mol·K.

Daltons Gesetz der Partialdrücke

Oft wird die Beziehung zwischen P, V und T für eine Gasmischung benötigt. Dies erfordert das Verständnis, wie der Gesamtdruck der Mischung mit den einzelnen Komponenten zusammenhängt. Jedes Gas übt innerhalb der Mischung einen Druck aus, den sogenannten Partialdruck. Im Jahr 1801 formulierte Dalton das Gesetz der Partialdrücke, wonach der Gesamtdruck eines Gasgemisches die Summe der Drücke ist, die jedes Gas ausüben würde, wenn es allein vorhanden wäre.

Grahams Gesetz der Diffusion

Führt man in einen Behälter, in dem sich ein Gas befindet, ein zweites Gas ein, bilden beide nach einer Weile eine homogene Mischung. Dieses allmähliche Vermischen ist als Diffusion bekannt. Thomas Graham untersuchte dies 1832 und stellte ein Gesetz auf, das besagt, dass unter gleichen Druck- und Temperaturbedingungen die Raten der Gasdiffusion umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der molaren Massen sind. Dieses Gesetz ist als Grahamsches Diffusionsgesetz bekannt und wird auch verwendet, um das Phänomen der Effusion zu beschreiben" }.