Definiția chimică a constantei gazului ideal (R)

Constanta gazului, reprezentată prin simbolul „R”, este constanta de proporționalitate a legii gazelor ideale . Aceasta din urmă este o ecuație matematică care leagă cele patru variabile care definesc complet starea unui gaz ideal, adică presiunea , volumul , temperatura și numărul de moli . În plus, această lege este o combinație a tuturor legilor gazelor, inclusiv legea lui Boyle, ambele forme ale legii lui Charles și Gay-Lussac și legea lui Avogadro.

Printre numeroasele sale utilizări, constanta de gaz permite să se calculeze valoarea particulară a lui P, V, nu T pentru un gaz pentru orice combinație a celorlalte trei variabile, fără a fi nevoie să știm care era starea gazului înainte sau cum gaz a ajuns să fie.gaz în starea actuală.

R, pe lângă faptul că primește denumirea de „constantă de gaz”, mai este cunoscută și sub denumirea de constantă de gaz universală, constantă de gaz ideal și constantă de gaz molară, aceasta din urmă datorită unităților sale.

În ciuda faptului că este numită constanta „gaz”, rezultată din experimentele care au condus la descoperirea sa inițială, constanta R este, de fapt, una dintre constantele fundamentale ale naturii și are o mare importanță atât în ​​chimie, cât și în fizică. Din acest motiv, apare constant în multiple legi și ecuații care, în principiu, nu au nicio legătură cu gazele.

Unitățile și valoarea lui R

Ca orice constantă de proporționalitate care este dimensională, valoarea constantei de gaz depinde de unitățile în care este exprimată. Același lucru este valabil pentru aproape toate celelalte constante din știință, deoarece orice mărime fizică poate fi întotdeauna exprimată în unități diferite, după cum este convenabil.

În general, dimensiunile constantei R sunt exprimate în două moduri diferite în majoritatea aplicațiilor sale:

Adică, unitățile de energie împărțite la numărul de moli și unitățile de temperatură absolută sau:

Adică, unitățile de presiune înmulțite cu unitățile de volum, împărțite la moli și unitățile de temperatură absolută.

Acestea fiind spuse, următorul tabel prezintă valorile lui R în unitățile cel mai frecvent utilizate de chimiști, precum și contextul în care este utilizată fiecare valoare:

Există și alte valori atunci când se folosesc unități imperiale de măsură sau unități tehnice, dar acestea se aplică mai mult ingineriei decât chimiei.

Legea gazelor ideale

După cum am menționat mai sus, constanta gazului apare mai întâi ca constantă de proporționalitate în legea gazelor ideale . Această lege este dată de următoarea expresie matematică:

În această ecuație, P reprezintă presiunea, V volumul, n numărul de moli și T temperatura absolută. În funcție de unitățile utilizate pentru P, V, T și n, trebuie utilizată valoarea corectă a lui R. În caz contrar, va fi necesară efectuarea unei transformări de unitate înainte de efectuarea calculului.

Constanta gazului și energia cinetică medie a unui gaz ideal

Folosind modelul cinetic al gazelor, se poate obține o relație foarte interesantă între constanta gazului și viteza pătrată medie sau energia cinetică medie a particulelor unui gaz. Acest model consideră un gaz ca o serie de sfere dure cu o masă bine definită, dar de dimensiuni neglijabile și care interacționează între ele și cu pereții recipientului doar prin ciocniri elastice (ca bile de biliard). Folosind aceste condiții, puțină fizică și puțină statistică, se poate ajunge la următoarea relație:

unde M este masa molară a gazului, T este temperatura și <v ² > este viteza pătratică medie. Ca masa molara M=m/n si (1/2).m. <v2> este egal cu energia cinetică medie a particulelor de gaz, R ar putea fi privit ca raportul dintre energia cinetică medie a unui mol de particule și temperatură ^. Cu alte cuvinte, R este constanta de proporționalitate care permite definirea temperaturii absolute în ceea ce privește agitația termică a atomilor și moleculelor.

Ecuația Nernst și constanta gazului

Ecuația Nernst este o ecuație termodinamică care permite determinarea forței electromotoare (E) a unei celule electrochimice în condiții non-standard din potențialul celulei în condiții standard (Eº), temperatura și concentrațiile speciilor chimice implicate într-un proces electrochimic. celulă.reacție redox. Ecuația este următoarea:

În această ecuație, E și Eº sunt potențialele celulei în condiții nestandard și, respectiv, standard, T este temperatura absolută, n numărul de moli de electroni schimbati pe mol de reacție, F este constanta lui Faraday și Q este reacția coeficient. Acesta din urmă corespunde produsului dintre concentrațiile produselor de reacție crescute la coeficienții lor stoichiometrici respectivi împărțit la produsul concentrațiilor reactanților de reacție crescuti la coeficienții stoichiometrici respectivi.

Când se folosește această ecuație, R trebuie dat în Jouls.K ^-1 mol ^-1 , astfel încât rezultatul celui de-al doilea termen din partea dreaptă a lui să fie în volți și astfel să poată fi scăzut cu potențialul standard al celulei.

Constanta gazului și constanta Boltzmann

Constanta Boltzmann este o constantă universală care apare în formula pentru distribuția Boltzmann, precum și în binecunoscuta formulă Boltzmann. Primul ne permite să determinăm numărul de molecule care pot avea un anumit nivel de energie la o anumită temperatură. Al doilea oferă interpretarea entropiei ca măsură a dezordinei într-un sistem.

Ambele ecuații au implicații profunde atât în ​​chimie, cât și în fizică. Ei bine, se dovedește că constanta lui Boltzmann nu este altceva decât aceeași constantă universală a gazului, împărțită doar la numărul lui Avogadro, care își schimbă unitățile din energie.K -1 ^.mol ​​​​-1 ^în energie.K ^-1 .particulă ^-1 .

În esență, constanta Boltzmann și constanta gazului reprezintă exact același lucru, doar la scări diferite.

Referințe

Legea gazelor ideale. (2020, 15 august). Preluat de la https://chem.libretexts.org/@go/page/1522

Caseta de instrumente de inginerie, (2004). Constante de gaz universale și individuale . Preluat de la https://www.engineeringtoolbox.com/individual-universal-gas-constant-d_588.html

Constantele fizice fundamentale. (2021, 30 martie). Preluat de la https://espanol.libretexts.org/@go/page/1989

Presiune, volum, cantitate și temperatură legate: legea gazelor ideale. (2020, 30 octombrie). Preluat de la https://espanol.libretexts.org/@go/page/1869