Hegðun gastegunda hefur lengi verið hugarefni efnafræðinga. Í stórum dráttum er hegðun gastegunda sambærileg óháð gerð þeirra, t.d. þenjast nær allar gastegundir út við hitun og ef að rúmmál íláts sem gasið er í vex þá minnkar þrýstingurinn inn í ílátinu. Hvesu mikið þetta gerist er hinsvegar háð gerð gastegundarinnar. Sumar gastegundir þenjast hratt út með hita á meðan aðrar þenjast lítið. Tengsl rúmmáls og þrýstings gastegunda eru einnig háð gerð gastegundarinnar.
Í þessum hluta munum við þó einfalda okkur málið með því að ganga út frá því að allar gastegundir hagi sér eins. Þessi nálgun er kölluð kjörgasnálgunin og er yfirleitt réttlætanleg við aðstæður sem svipa til staðalaðstæðna (25°C og 101300 Pa).
Kjörgas
Kjörgas er ímyndað gas sem hefur þá eiginleika að engir árekstrar eiga sér stað á milli sameinda auk þess að sameindirnar sjálfar eru skilgreinar sem rúmmálslausir punktar. Slíkt gas er að sjálfsögðu ekki til, en er afar heppileg nálgun á raungas þegar verið er að skoða og læra á hegðun gastegunda í fyrsta sinn. Við munum skoða hvernig kjörgas hagar sér en áður en við gerum það þurfum við að renna yfir þau helstu lögmál sem gilda um efni á gasformi.
Lögmál Daltons
Fyrsta lögmálið sem vert er að skoða er lögmál Daltons. Lögmál hans er í reynd afar einfalt en einnig afar gagnlegt. Það segir að heildarþrýstingur í blöndu af tveim eða fleiri gastegundum er sá sami og samanlagður þrýstingur gastegundanna sem blandan er gerð úr. Þannig að ef að gas A væri eitt og sér með þrýstinginn 10 bör í einhverju íláti og gas B væri eitt og sér með þrýstinginn 5 bör í sama íláti. Þá er þrýstingurinn í íláti með sama magni af gasi A og gasi B samtals 15 bör.
Þetta má setja fram á eftirfarandi máta sem
þar sem PT er heildarþrýstingur gastegundarinnar og Pn (P1, P2, o.s.frv) er hlutþrýstingur hverrar gastegundar í blöndunni. Hlutþrýstingur gastegundar er þá sá þrýstingur sem gastegundin hefði ef aðeins hún væri í viðkomandi íláti.
Sýnidæmi 1
Út frá þessu lögmálið getum við einnig séð hver hlutþrýsting gastegundar í blöndu er við þekkjum hlutfall hennar og heildarþrýstinginn, en hlutþrýstingur gastegundar er þá
þar sem xn er mólarhlutfall gastegundarinnar, þ.e mólmagn gastegundarinnar deilt með heildarmólmagni alls gassins í ílátinu.
Gaslögmálin
Hegðun gasteguna má í grófum dráttum skipta upp í þrjú megin lögmál. Jafnhitalögmálið, jafnþrýstilögmálið og jafnrýmdarlögmálið. Það sem er sammerkt með þeim er að þau lýsa öll hegðun gastegunda þegar einni breytu er haldið fastri.
Áður en lengra er haldið er mikilvægt að taka til skoðunar eininguna fyrir hitastig. í daglegu tali notum við Celsíus gráður til að lýsa hita. Hún er reyndar afar hentug sem slík þar sem 0 gráður celsíus er frostmark og myndar því góð skil á milli afar mismunandi veðurfars. Hinsvegar þegar við skoðum hegðun gastegunda verðum við að nota aðra einingu sem kallast Kelvin (K).
Þegar efna kólnar þá minnkar hreyfing efniseindanna sem efnið er sett saman úr. Það kemur svo að því að öll hreyfing hættir og er það ástand kallað alkul, sem er lægsta hitastig sem hægt er að hafa. Kelvin skalinn var skilgreindur þannig að hver Kelvin gráða er jafn stór og hver celsíus gráða og þetta lægsta hitastig sem hægt er að hafa er 0 á Kelvin . Tengls milli Kelvin og gráður celsíus er þá
Jafnhitalögmálið
Sé rúmmáli gastegundar breytt á þann máta að hitastig gassins helst óbreytt fylgir það jafnhitalögmálinu. Lögmálið segir að þrýstingur breytist í öfugu hlutfalli við rúmmálið, Þetta þýðir að er þrýstingur tvöfaldast þá verður rúmmálið að helmingast til að gasið haldi sama hitastigi. Lögmálið má skrifa sem:
Þar sem P1 er þrýstingur fyrir breytingu, V1 er rúmmál fyrir breytingu, P2 er þrýstingur eftir breytingu og V2 er rúmmál eftir breytingu.
Sýnidæmi 2
Jafnrýmdarlögmálið
Sé gas hitað eða kælt niður í íláti sem getur ekki breytt um lögun þá verður gasið að fylgja jafnrýmdarlögmálinu. Lögmálið segir að þrýstingur breytist í réttu hlufalli við hitastig (mælt í Kelvin) eða með öðrum orðum, ef hitastig tvöfaldast þá verður þrýstingur að tvöfaldast. Lögmálið má skrifa sem:
Þar sem P1 er þrýstingur fyrir breytingu, T1 er hitastig fyrir breytingu, P2 er þrýstingur eftir breytingu og T2 er hitastig eftir breytingu.
Jafnþrýstilögmálið
Sé gas hitað eða kælt við aðstæður þar sem þrýstingurinn getur haldist óbreyttur þá fylgir gasið jafnþrýstilögmálinu. Lögmálið segir að rúmmál gastegundar breytist í réttu hlufalli við hitastig (mælt í Kelvin) eða með öðrum orðum, ef hitastig tvöfaldast þá verður rúmmálið að tvöfaldast til að þrýstingurinn haldist óbreyttur. Lögmálið má skrifa sem:
Þessi þrjú gaslögmál má taka saman í eitt lögmál þar sem þrýstingur, rúmmál og hiti eru allt breytur, en það er
Hér er þá komið lögmál sem lýsir hegðun gastegunda. Þessi fyrrnefndu lögmál gefa okkur samt ekkert innsýn inn í hvernig magn af gasi hefur áhrif á þrýsting eða rúmmál gastegundarinnar. Til að gera það þarf að innleiða mólhugtakið inn í gasjöfnunar og fá þá jöfnu sem er kölluð kjörgasjafnan .
Kjörgasjafnan
Þegar gert er ráð fyrir kjörgashegðun þá taka allar gerðir af gasi sama pláss. Því má segja að
sem þýðir að hlutfall þrýstings, rúmmáls og hitastigs sé í ákveðnu samhengi við efnismagnið. Þetta samhengi reynist vera línulegt og því að skoða hvernig þrýstingur, rúmmál og hitastig breytist við mismunandi efnismagn var hægt að finna fasta sem tengir þetta allt saman. Sá fasti nefnist gasfastinn og er 8,314 J/mól*K. Kjösgasjafnan er þá
Þar sem R er gasfastinn. Hér er mikilvægt að vita að til að geta notað R fastann sem 8,314 J/mól*K þá þarf P að vera í þrýstieiningunni pascal og V er rúmmál í rúmmetrum. Ef við notum atm fyrir þrýsting og lítra fyrir rúmmál verður gasfastinn að vera 0,08206 L*atm/mól*K.
Pascal er SI-einingin fyrir þrýsting en aðrar einingar eru gjarnan notaðar yfir þrýsting vegna þæginda eða hefða. Hér að neðan eru hlutföll milli hina ýmsu þrýstieininga.
1 bar = 100.000 pascal ; 1 bar = 750.062 torr ; 1 atm = 101,300 pascal ; 1 atm = 760 torr
Sýnidæmi 3
