이상적인 가스 법

이상적인 가스 법칙, 따라서 그 특성 상수 R, 또한 설득력 분자가 고유 볼륨을 가지고 상호 작용하지 않는 것입니다, 여러 가지 방법으로 첫 번째 원칙 이론에서 파생 될 수있다. 이러한 가정은 희석 물질 한계에서 유효하며, 각분자(예: 주변 조건에서 ~10-23 L)가 점유하는 빈 공간의 부피가 분자 자체(~10-26L)보다 훨씬 크며 상호 작용이 불가능한 경우. 따라서 실온에서 공통 실험실 장비를 사용하는 여러 가지 방법으로 쉽게 입증할 수 있으며, 최대 10bar(도1)까지압력에서 다양한 가스를 사용하여 정확하게 측정할 수 있다. 그러나 이상적인 가스 법은 거의 주변조건(예:프로판)이나 분자 간 상호 작용의 결과로 발생하는 응축, 현상에 대해 밀도가 높은 가스의 특성을 정확하게 설명할 수 없습니다. 이러한 이유로, 국가의 수많은 더 상세한 방정식은 일반적으로 희석 물질 제한에 이상적인 가스 법으로 감소, 발견 이후 몇 년 동안 이상적인 가스 법을 성공했다. ^1,2

그림 1. 이상적인 가스법 밀도를 25°C및 0-100 bar 사이의 다양한 다른 일반적인 가스에 비교합니다.

이 자습서에서는 알려진 부피의 일시 중단된 고체 샘플인 정밀 가공 알루미늄 블록을 계량하여 고정 된 부피 내에서 수소 가스의 밀도를 신중하게 측정합니다. 시료의 무게 변화는 아르키메데스의 원칙에 의해 부동되는 유체 밀도의 변화와 직접적으로 관련이 있습니다. 또한 고압에서 보다 이상적인 가스(예: 이산화탄소)를 사용하는 단점도 입증할 것입니다. 마지막으로 수소저장재에 의한 수소방출로 인한 시스템의 부피 의 변동이 측정되는 간단한 벤치탑 실험을 수행하여 이상적인 가스법을 시각적으로 입증하고 질적으로 확인할 것입니다. 이러한 실험 중 하나를 사용하여, 우리는 압력, 온도 및 가스의 주어진 양사이의 관계를 설명하는 범용 상수를 결정할 수 있습니다 - 이상적인 가스 상수, R.

이상적인 가스 법은 주변조건(도 1 inset)에 가까운 조건에서 수많은 일반 가스의 실제 가스 특성에 대한 유효한 설명이므로 많은 응용 분야의 맥락에서 유용합니다. 고압 또는 저온 조건에서 시스템을 설명하는 이상적인 가스 법의 한계는 분자 상호 작용및/또는 시스템의 특성에 기여하는 가스 분자의 유한한 크기의 중요성이 증가함에 따라 설명될 수 있습니다. 따라서 강력하고 매력적인 분자 간 상호 작용(수소 결합, 이온-이온-이폴 상호 작용 또는 반 데르 발스 상호 작용을 포함한 다극간 상호 작용에서 발생하는)은 이상적인 가스보다 밀도가 높습니다. 모든 가스는 또한 하나 이상의 분자가 동일한 위치를 차지할 수 없기 때문에 높은 밀도에서 반발 성분을 가지며 이상적인 가스보다 밀도가 감소합니다. 수소와 헬륨 과 같은 가스는 유한한 분자 크기로 인한 반발력에서 더 중요한 기여를 나타내므로 고압에서 밀도가 약간 낮습니다. 메탄과 이산화탄소는 매력적인 상호 작용에서 자신의 특성에 훨씬 더 중요한 기여를 보여줍니다, 그들에게 매우 높은 압력까지 이상적인 가스보다 더 높은 밀도를 빌려, 여기서 반발 용어가 지배 (25 °C에서 100 바보다 훨씬 높은).

그림 2. 평형 흡착 흡수는 25°C에서 높은 표면적, 초활성화 탄화 MSC-30에_CO2의 더네m이다.

이상적인 가스 법은 화학 과학의 이러한 기본 방정식으로, 적어도 첫 번째 근사치에 이르기까지 일상적인 실험실 활동뿐만 아니라 매우 복잡한 시스템의 계산 및 모델링에서 과다한 용도를 가지고 있습니다. 그 적용성은 법 자체에 내재된 근사치에 의해서만 제한됩니다. 이상적인 가스 법이 많은 일반적인 가스에 대해 잘 유효한 거의 주변 압력과 온도에서, 그것은 널리 가스 기반 시스템 및 프로세스의 해석에 사용된다. 이상적인 가스 법을 사용하여 조정할 수 있는 원칙을 사용하는 장치의 두 가지 예는 가스 온도계와 스털링 엔진입니다.

한 가지 특정 응용 분야는 고체 물질의 표면에 가스 흡착 (물리 흡수)의 양을 측정하는 것입니다. 흡착은 가스 분자가 가스 상을 떠나 고체와 가스 사이의 매력적인 분자 간 상호 작용(분산력)으로 인해 고체(또는 액체)의 표면 근처의 밀도상으로 들어가는 물리적 현상이다. 흡착의 역할은 주변 조건에서 많은 벌크 재료 (예 : 유리 및 스테인레스)의 강철을 무시할 수 있지만, 특히 낮은 온도에서 접근 가능한 표면적이 큰 다공성 재료에 매우 중요합니다. ³ 체베르트의 방법과 물리적 흡착을 정량화하는 중력 방법은 시스템에서 가스 의 상태의 방정식을 아는 데 의존한다. 저압 및 주변 온도에서 이상적인 가스 법은 많은 가스에 유효하며, 위의 R을 결정하기 위한 프로토콜에 설명된 것과 유사한 방식으로 가스의 흡착량을 정확하게 결정하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 이상적인 가스 법이 실제로 유효한 조건하에서 고표면적 흡착물의 부력의 중력 측정에서,Δw_실제 측정과 Δw_이상적 상태의 이상적인 방정식을 사용하여 계산된 Δw 의 차이는 흡착 단계의 중량 변화에 기인할 수 있다. (방정식10) 평형 가스 흡착 이더어는 이렇게 고정 온도에서 압력의 함수로서, Δw_광고를이 편차를 표로 하여 측정될 수 있다(그림 2참조), 다공성 물질의 특성화에 대한 표준 절차.

Δw_광고 = Δw_실제 - Δw_이상적 (방정식 10)