Kjemisk definisjon av den ideelle gasskonstanten (R)

Gasskonstanten, representert med symbolet «R», er proporsjonalitetskonstanten til den ideelle gassloven . Sistnevnte er en matematisk ligning som relaterer de fire variablene som fullstendig definerer tilstanden til en ideell gass, det vil si trykk , volum , temperatur og antall mol . Videre er denne loven en kombinasjon av alle gasslovene, inkludert Boyles lov, begge former for Charles og Gay-Lussacs lov , og Avogadros lov.

Blant dens mange bruksområder lar gasskonstanten en beregne den spesielle verdien av P, V, ikke T for en gass for en hvilken som helst kombinasjon av de tre andre variablene, uten å måtte vite hvordan gassens tilstand var før, eller hvordan gass ​​ble til gass til sin nåværende tilstand.

R, i tillegg til å motta navnet «gasskonstant», er også kjent som den universelle gasskonstanten, ideell gasskonstant og molar gasskonstant, sistnevnte på grunn av dens enheter.

Til tross for at den ble kalt «gass»-konstanten, som stammer fra eksperimentene som førte til dens opprinnelige oppdagelse, er konstanten R faktisk en av naturens grunnleggende konstanter, og er av stor betydning både i kjemi som i fysikk. Av denne grunn dukker det hele tiden opp i flere lover og ligninger som i prinsippet ikke har noe med gasser å gjøre.

Enheter og verdi av R

Som enhver proporsjonalitetskonstant som er dimensjonal, avhenger verdien av gasskonstanten av enhetene den er uttrykt i. Det samme gjelder nesten alle andre konstanter i vitenskapen, siden enhver fysisk mengde alltid kan uttrykkes i forskjellige enheter, ettersom det er praktisk.

Generelt sett uttrykkes dimensjonene til konstanten R på to forskjellige måter i de fleste bruksområder:

Det vil si energienheter delt på antall mol og enheter av absolutt temperatur, eller:

Det vil si trykkenheter multiplisert med volumenheter, delt på mol og absolutte temperaturenheter.

Når det er sagt, presenterer følgende tabell verdiene til R i enhetene som oftest brukes av kjemikere, samt konteksten der hver verdi brukes:

Det finnes andre verdier ved bruk av imperiale måleenheter eller tekniske enheter, men disse gjelder mer for ingeniørfag enn for kjemi.

Den ideelle gassloven

Som nevnt ovenfor, vises gasskonstanten først som proporsjonalitetskonstanten i den ideelle gassloven . Denne loven er gitt av følgende matematiske uttrykk:

I denne ligningen representerer P trykket, V volumet, n antall mol, og T den absolutte temperaturen. Avhengig av enhetene som brukes for P, V, T og n skal det brukes riktig verdi av R. Ellers vil det være nødvendig å utføre en enhetstransformasjon før beregningen utføres.

Gasskonstanten og den gjennomsnittlige kinetiske energien til en ideell gass

Ved å bruke den kinetiske modellen av gasser kan man få et veldig interessant forhold mellom gasskonstanten og rotmiddelkvadrathastigheten, eller den gjennomsnittlige kinetiske energien til partiklene i en gass. Denne modellen betrakter en gass som en serie harde kuler med en veldefinert masse, men av ubetydelig størrelse og som kun samhandler med hverandre og med veggene i beholderen gjennom elastiske kollisjoner (som biljardkuler). Ved å bruke disse forholdene, litt fysikk og litt statistikk, kan man komme frem til følgende forhold:

der M er den molare massen til gassen, T er temperaturen og <v ² > er rotmiddelkvadrathastigheten. Som den molare massen M=m/n og (1/2).m. <v ² > er lik den gjennomsnittlige kinetiske energien til gasspartiklene, R kan sees på som forholdet mellom den gjennomsnittlige kinetiske energien til et mol partikler og temperatur. Med andre ord, R er proporsjonalitetskonstanten som gjør det mulig å definere den absolutte temperaturen i form av termisk omrøring av atomene og molekylene.

Nernst-ligningen og gasskonstanten

Nernst-ligningen er en termodynamisk ligning som gjør det mulig å bestemme den elektromotoriske kraften (E) til en elektrokjemisk celle under ikke-standardiserte forhold fra cellepotensialet under standardbetingelser (Eº), temperaturen og konsentrasjonene av de kjemiske artene som er involvert i en elektrokjemisk celle Redoksreaksjon. Ligningen er følgende:

I denne ligningen er E og Eº cellepotensialene under henholdsvis ikke-standard og standardforhold, T er den absolutte temperaturen, n antall mol elektroner byttet ut per mol reaksjon, F er Faradays konstant, og Q er reaksjonen kvotient. Sistnevnte tilsvarer produktet av konsentrasjonene av reaksjonsproduktene hevet til deres respektive støkiometriske koeffisienter dividert med produktet av konsentrasjonene av reaksjonsreaktantene hevet til deres respektive støkiometriske koeffisienter.

Ved bruk av denne ligningen må R gis i Jouls.K ^-1 mol ^-1 slik at resultatet av andre ledd på høyre side av er i volt, og dermed kan trekkes fra med standardpotensialet til cellen.

Gasskonstant og Boltzmann-konstant

Boltzmann-konstanten er en universell konstant som vises i formelen for Boltzmann-fordelingen, så vel som i den velkjente Boltzmann-formelen. Den første lar oss bestemme antall molekyler som kan ha et gitt energinivå ved en gitt temperatur. Den andre gir tolkningen av entropi som et mål på uorden i et system.

Begge ligningene har dype implikasjoner i både kjemi og fysikk. Vel, det viser seg at Boltzmanns konstant ikke er noe mer enn den samme universelle gasskonstanten, bare delt på Avogadros tall, som endrer enhetene sine fra energi.K -1 .mol ^{​​​​-1} til ^energi.K -1 ^. partikkel ^-1 .

I hovedsak representerer Boltzmann-konstanten og gasskonstanten nøyaktig det samme, bare på forskjellige skalaer.

Referanser

Den ideelle gassloven. (2020, 15. august). Hentet fra https://chem.libretexts.org/@go/page/1522

Engineering ToolBox, (2004). Universelle og individuelle gasskonstanter . Hentet fra https://www.engineeringtoolbox.com/individual-universal-gas-constant-d_588.html

De grunnleggende fysiske konstantene. (2021, 30. mars). Hentet fra https://espanol.libretexts.org/@go/page/1989

Trykk, volum, mengde og temperatur relatert: den ideelle gassloven. (2020, 30. oktober). Hentet fra https://espanol.libretexts.org/@go/page/1869