気体は、物質の基本的な状態の 1 つです。ガスは、かなりの距離で分離された分子の集まりです。理想気体とは、分子が弾性的に衝突する気体です。これらの完全な気体では、分子間引力はありません。しかし、現実には完全な気体など存在しません。
理想気体の意味
理想気体中の粒子は、互いに引き付け合ったり反発したりせず、空間を占有しません (粒子には体積がありません)。理想気体の巨視的特性は、理想気体の法則 (PV =nRT) に関連しています。完全に完全な気体はありませんが、理想気体の法則は、多くの状況で実在気体の挙動の適切な近似を提供します。特定の圧力と温度の条件下では、ガスは理想的に機能します。したがって、室温では、これらすべての仮定により、理想気体は液体を形成しません。
理想気体の性質
理想気体には多くの特性があり、実在気体は理想気体と非常によく似た振る舞いをすることがよくあります。以下は、理想気体の特性の一部です:
- 多数の類似分子が理想気体を構成します。
- 気体が占める体積に比べて、分子が占める体積はわずかです。
- ニュートンの運動の法則に従って、分子はランダムなパターンで動きます。
- 分子は衝突するときにのみ力を受けます。すべての衝突は完全に弾力的で、ほんの一瞬しかかかりません。
- 特定の温度におけるすべての気体の平均運動エネルギーは同じです。
- 軽いガス分子は、重い分子よりも速く移動します。
- 理想気体には質量がないため、この式では無視できます。これは、理想気体が質量を持たない粒子と呼ばれるためです。
理想気体の特徴
理想気体の重要な特性は次のとおりです:
- それらは小さな粒子である分子と原子で構成されています。
- 個々の粒子には体積がありませんが、気体全体には体積があります。これは、ガス中に存在する粒子の体積が非常に小さいことを意味します。その結果、すべてのパーティクルにある程度のボリュームができました。ただし、非常に小さいため、この条件がすべてのガスに当てはまるわけではありません。
- ガス粒子間の引力は重要ではないと考えられています。引力は弱いですが、存在します。その結果、この要件はすべてのガスに適用されるわけではありません。
- 個々のガス分子の衝突は、完全な弾性衝突として記述されます。また、同時に完全に非弾性または弾性の衝突はないこともわかっています。その結果、この要件はすべてのガスに適用されるわけではありません。
- ガス粒子は常にランダムなパターンで移動します。これは、気体粒子が移動すると膨張するためです。これはすべてのガスに当てはまります。
理想気体の法則
理想気体の振る舞いに応じて提唱された 3 つの法則があります。これらは次のとおりです。
- シャルルの法則:圧力が一定に保たれている場合、シャルルの法則は、一定量のガスの体積と温度 (ケルビン) の間の正確な比例関係を表しています。したがって、シャルルの法則の導関数は次のように表すことができます:
V∝T
- ボイルの法則:ボイルの法則によると、気体の体積は、温度とモル数が一定であれば圧力に反比例します。導関数は次のように表現できます:
- アボガドロの法則:アボガドロの法則によれば、一定の圧力と温度では、気体の体積はそのモル数に正比例します。導関数は次のように表現できます:
V∝n
したがって、上記の理想気体のさまざまな法則に基づいて、理想気体の法則を導き出すことができます。次のように繰り返すことができます:
ここで、R は比例定数を指します。
したがって、前の方程式を並べ替えて、次の答えを導き出します。
pV =nRT
したがって、R は普遍的なガス定数であり、すべてのガスで同じです。理想気体方程式は、上記の方程式の解です。その結果、n モルの気体は一定の圧力と温度で同じ体積になります。
解決例
ある化学者は、15.0 気圧、体積 25.0 L、温度 300 K の気体を持っています。標準温度と圧力での気体の体積を求めてください。
標準圧力は 1.00 気圧、標準温度は 0 oC (または 273 K) であることに注意してください。
解決策:
以下の値が与えられています:
したがって、次のように、これらの変数を理想気体の法則式に代入します。
両辺に標準温度 273 K を掛け、両辺を標準気圧 1.00 atm で割ることで、体積 V2 を求めます。
結論
理想気体には多くの特性があり、実在気体は理想気体と非常によく似た挙動を示すことがよくあります。理想気体の振る舞いに応じて提唱された 3 つの法則があります。チャールズの法則、ボイルの法則、アボガドロの法則です。
