Grundlagen der Physik und Chemie: Gase, Materie & Gesetze

Grundlagen der Physik und Chemie: Einheiten, Materie und Gase

SI-Präfixe und Submultiple

Die folgende Tabelle zeigt gängige Präfixe zur Darstellung sehr großer oder sehr kleiner Zahlen (Submultiple):

Wissenschaftliche Notation

Die wissenschaftliche Notation dient dazu, sehr große oder sehr kleine Zahlen kompakt darzustellen, oft unter Verwendung einer bestimmten Anzahl signifikanter Stellen.

Beispiel: Wir möchten eine Länge von 38.000 m mit nur drei signifikanten Zahlen ausdrücken:

38.000 m = 3,80 × 10⁴ m

Verhalten von Gasen bei Zustandsänderungen

Änderung des Gasvolumens bei konstantem Druck und Temperatur

Wenn die Temperatur einer bestimmten Masse des Gases erhöht wird, während der Druck konstant bleibt, erhöht sich das Volumen der Gasmasse (Charles'sches Gesetz).

Druckänderung des Gases bei konstantem Volumen und Temperatur

Wird ein Gas in einem geschlossenen Behälter erhitzt, erhöht sich der Druck, den das Gas auf die Wände des Behälters ausübt (Gay-Lussac'sches Gesetz).

Die Aggregatzustände der Materie

Gasförmiger Zustand

• Gase haben weder eine eigene Form noch ein eigenes Volumen. Sie füllen den gesamten Behälter aus, weshalb der Behälter geschlossen sein muss, um eine unbegrenzte Ausdehnung zu verhindern.
• Gase sind kompressibel; ihr Volumen verringert sich, wenn der auf sie ausgeübte Druck steigt.
• Gase sind fluide und können leicht entweichen.

Flüssiger Zustand

• Flüssigkeiten passen sich der Form des Behälters an.
• Sie sind schwer komprimierbar.
• Flüssigkeiten und Gase werden zusammenfassend als Fluide bezeichnet.

Fester Zustand (Solid State)

• Feststoffe sind starr und behalten ihre eigene Form und ihr eigenes Volumen bei.
• Sie sind kaum komprimierbar.

Das Gesetz von Boyle-Mariotte

Das Gesetz von Boyle-Mariotte beschreibt das Verhalten einer idealen Gasmenge bei konstanter Temperatur (isotherm). Es besagt, dass der Druck und das Volumen eines Gases umgekehrt proportional zueinander sind.

Wenn wir beispielsweise das Volumen halbieren, muss sich der Druck verdoppeln, vorausgesetzt, die Temperatur bleibt konstant. Dieses Verhalten ist für alle Gase (unter idealen Bedingungen) gleich. Das Gesetz wurde 1676 formuliert:

Für eine bestimmte Gasmasse bei konstanter Temperatur ist das Produkt aus dem Druck ($P$) und dem Volumen ($V$) konstant:

P₁V₁ = P₂V₂ = P₃V₃ = konstant

Kinetische Gastheorie (KMT)

Die Kinetische Molekulartheorie basiert auf folgenden Annahmen:

• Gase bestehen aus einer großen Zahl von Molekülen, die sich in ständiger, schneller und unaufhörlicher Bewegung befinden.
• Die Moleküle kollidieren untereinander und gegen die Wände des Behälters. Sie bewegen sich in unterschiedliche Richtungen und mit verschiedenen Geschwindigkeiten.
• Nicht alle Moleküle bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit.
• Der Druck des Gases auf die Behälterwände ist das Ergebnis dieser Kollisionen der Moleküle.
• Die Moleküle sind extrem klein und weit voneinander getrennt.
• Die Geschwindigkeit der Teilchen hängt von der Temperatur des Gases ab. Bei höherer Temperatur bewegen sich die Teilchen schneller.
• Wenn zwei Gase die gleiche Temperatur haben, ist die mittlere kinetische Energie ihrer Moleküle gleich.

Erklärung der Gaseigenschaften durch die KMT

Die KMT erklärt die Gasgesetze wie folgt:

• Volumenreduzierung: Wenn das Volumen des Behälters bei konstanter Temperatur verringert wird, steigt die Häufigkeit der Kollisionen der Moleküle mit den Wänden, wodurch der Druck zunimmt.
• Temperaturerhöhung: Wenn ein Gas in einem geschlossenen Behälter erhitzt wird, erhöht sich die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle. Sie kollidieren häufiger und heftiger mit der Wand, was zu einem erhöhten Druck führt.