Starea gazoasă. Legea gazelor ideale.

Un gaz ideal este un model teoretic prin care se presupune că un gaz se află într-o stare ideală în care nu este afectat de condițiile lumii reale. Un gaz ideal este caracterizat astfel: între particulele care formează gazul nu acționează nicun fel de forțe intermoleculare, și în plus, particulele gazului nu ocupă spațiu, volumul lor atomic este complet ignorat. Deci aceste particule, chiar dacă se lovesc unele de altele, nu interacționează în niciun fel. Bineînțeles, un astfel de gaz nu există în realitate, însă astfel s-a putut crea un model teoretic simplificat ce poate fi utilizat pentru înțelegerea comportamentului gazelor reale.

Legea gazelor ideale ilustrează legătura dintre cele patru variabile și o constantă care descriu comportamentul unui gaz:

pV = nRT

p – presiunea, [atm]

V – volumul, [L]

n – numărul de moli, [mol]

T – temperatura, [K] sau [° C]

R – constanta molară a gazelor ideale, R = 0.082 [L*atm/mol*K]

Relații între parametrii care descriu comportamentul gazelor:

• Presiune și volum: există o dependență indirectă între presiunea și volumul unui gaz. Dacă volumul unui gaz se mărește, presiunea sa va scădea.
• Volum și temperatură: există o dependență directă între volumul și temperatura unui gaz. Dacă într-un sistem se menține presiune constantă și se mărește temperatura, volumul gazului va crește proporțional cu temperatura.
• Volum și număr de moli: există o dependență directă între numărul de moli și volumul unui gaz. Dacă într-un sistem se mențin temperatura și presiunea constante și se mărește numărul de moli, volumul gazului va crește proporțional cu numărul de moli.

Legea generală a gazelor

Gazele sunt substanțe care ocupă tot volumul recipientelor în care se află. Recipientul trebuie să fie închis pentru ca o substanță gazoasă  să rămână acolo. 

Volumul molar, V_m are valoarea 22,4 L/mol și reprezintă volumul pe care îl ocupă un mol din orice gaz în condiții normale de presiune și temperatură.

Condițiile normale de temperatură și presiune se referă la următoarele valori:

                        T = 273,15 K (sau 0° C)

                        p = 1 atm

Parametrii de stare ai unui gaz sunt mărimile care caracterizează starea unui gaz la un moment dat, și sunt următoarii trei: presiunea (p), temperatura (T), și volumul (V).

Comportamentul gazelor reale începe să devieze de la comportamentul gazelor ideale în special atunci când se creează condiții propice pentru moleculele de gaz de a forma legături intermoleculare:

• la presiune ridicată;
• la temperatură joasă;
• la densitate mare.

Legea generală a gazelor a fost obținută prin combinarea mai multor legi simplificate care descriu comportamentul gazelor reale. Este nevoie de această lege deoarece  legea gazelor ideale nu poate fi aplicată în orice condiții. Așadar, legea generală a gazelor prezintă relația matematică dintre cei trei parametri de stare ai unui gaz pentru o cantitate fixă de gaz:

$\frac{\mathbf{p}\mathbf{\times }\mathbf{V}}{\mathbf{T}}\mathbf{ }\mathbf{=}\mathbf{ }\mathbf{constant}$

Pentru a descrie un sistem gazos care trece dintr-o stare inițială (1) într-o stare finală (2), putem folosi tot legea generală a gazelor în următoarea formă:

$\frac{{\mathbf{p}}_{\mathbf{1}}\mathbf{\times }{\mathbf{V}}_{\mathbf{1}}}{{\mathbf{T}}_{\mathbf{1}}}\mathbf{ }\mathbf{=}\mathbf{ }\frac{{\mathbf{p}}_{\mathbf{2}\mathbf{ }}\mathbf{\times }{\mathbf{V}}_{\mathbf{2}}}{{\mathbf{T}}_{\mathbf{2}}}$

Constanta molară a gazelor perfecte, R este o constantă care se referă la toți cei trei parametri de stare standard ai gazelor, și are aceeași valoare pentru orice gaz, fie el real sau ideal. R are mai multe valori numerice, în funcție de unitățile de măsură ale parametrilor de stare.

Exemplu – Calculul valorii lui R în condiții normale când presiunea e exprimată în atmosfere, volumul în litri, iar temperatura în K:

$\mathrm{R} = \frac{{\mathrm{p}}_0\times {\mathrm{V}}_{{\mathrm{m}}_0}}{{\mathrm{T}}_0} = \frac{1 \mathrm{atm} \times 22,4 \mathrm{L}}{1 \mathrm{mol} \times 273 \mathrm{K}} = 0,082 \frac{\mathrm{L}\times \mathrm{atm}}{\mathrm{mol}\times \mathrm{K}}$