Plinski zakoni

Plinski zakoni su se razvili tijekom 17. i 19. stoljeća, kada su znanstvenici počeli shvaćati da postoji kod plinova veza između tlaka, obujma i temperature. Bitno svojstvo plinova je nasumično gibanje njihovih čestica, koje nazivamo Brownovo gibanje, prema Robertu Brownu, koji je ovu pojavu po prvi puta uočio na sićušnim zrncima cvijetnog peluda na vodi, promatrajući ih ispod mikroskopa. Kinetička teorija plinova opisuje plin kao velik broj malih čestica, koje su stalno u nasumičnom kretanju.

Boyle-Mariotteov zakon

Boyle-Mariotteov zakon kazuje, da kod konstantne temperature, umnožak tlaka i obujma idealnih plinova, je uvijek konstantan. Zakon je objavljen 1662. godine.

Ako smanjujemo obujam nekog plina, tlak će se povećavati. Matematički se taj zakon može opisati kao:

$PV=k_{1}\,$

gdje je: P – tlak plina (Pa), V – obujam plina (m³) i k₁ – konstanta (J)

Charlesov zakon

Charlesov zakon, ili plinski zakon obujma, je objavljen 1678. godine. On govori da je obujam kod idealnog plina, kada je tlak konstantan, direktno proporcionalan apsolutnoj ili termodinamičkoj temperaturi T (u Kelvinima). Ako plinu povećavamo temperaturu, povećat će se i obujam. Matematički se taj zakon može opisati kao:

$V=k_{2}T\,$

gdje je: T - apsolutna ili termodinamička temperatura (K), V – obujam plina (m³) i k₂ – konstanta (u m³/K).

Gay-Lussacov zakon

Gay-Lussacov zakon je otkrio Joseph Louis Gay-Lussac 1809. godine. On je tvrdio da je tlak u nekom spremniku, koji ima konstantan obujam, direktno proporcionalan sa apsolutnom temperaturom (u Kelvinima). Povećanjem temperature, molekule plina postaju sve brže i snažnije udaraju na stijenke spremnika. Matematički se taj zakon može opisati kao:

$P=k_{3}T\,$

gdje je T - apsolutna temperatura (K), P – tlak plina (Pa) i k₃ – konstanta.

Avogadrov zakon

Avogadrov zakon tvrdi da dva spremnika idealnog plina, sa jednakom temperaturom, tlakom i obujmom, sadrže jednak broj molekula. To znači da je obujam nekog spremnika, direktno proporcionalan sa brojem molova (ili molekula) u tom spremniku. Za 100 kPa i 273,15 K, obujam jednog mola idealnog plina iznosi 22,414 dm³ ili 22,414 litre. Matematički se taj zakon može opisati kao:

$V=k_{4}n\,$

gdje je V – obujam plina (m³), n – broj molova plina u nekom spremniku (ukupan broj molekula podijeljen sa Avogadrovim brojem) i k₄ – konstanta.

Kombinirani zakon i jednadžba stanja idealnog plina

Kombinirani zakon plinova se dobije kombinacijom prve 3 jednadžbe i pokazuje odnos između tlaka, obujma i temperature plina:

$PV=k_{5}T\,$

Ako ubacimo i Avogadrov zakon, dobije se jednadžba stanja idealnog plina:

$PV=nRT\,$

gdje je: R – plinska konstanta, koja ima vrijednost 8,314472(15) J•K⁻¹•mol⁻¹. Ona se može opisati i kao:

$PV=kNT\,$

gdje je: k – Boltzmannova konstanta, a N – ukupan broj molekula u spremniku.

Ova jednadžba je točna za idealne plinove, koja zanemaruje razne međumolekularne sile, koje djeluju kod realnih plinova. Ali, zakon idealnih plinova je vrlo dobro približenje za veliku većinu plinova, kod umjerenih tlakova i temperatura.

Iz zakona idealnih plinova mogu se izvući slijedeći zaključci:

• ako su temperatura i tlak konstantni, obujam plina je direktno proporcionalan sa brojem molekula plina.
• ako su temperatura i obujam konstantni, tlak plina je direktno proporcionalan sa brojem molekula plina.
• ako su temperatura i broj molekula konstantni, tlak je obrnuto proporcionalan sa obujmom spremnika.
• ako je broj molekula konstantan u spremniku, sa povećanjem temperature će se povećati ili tlak ili obujam (ili oboje).

Ostali plinski zakon

Daltonov zakon

Daltonov zakon tvrdi da je tlak mješavine plinova jednak zbroju parcijalnih tlakova pojedinih sastavnih dijelova mješavine. Matematički se taj zakon može opisati kao:

$P_{total}=P_{1}+P_{2}+P_{3}+...+P_{n}\,$

ili

$P_{Total}=P_{Gas}+P_{{H}_{2}{O}}\,$

gdje je: P_Total – ukupan tlak atmospfere, P_Gas – je tlak mješavine plinova u atmosferi i P_H2O – tlak vodene pare, kod neke temperature.

Henryev zakon

Henryev zakon tvrdi da, kod konstantne temperature, količina otopljenog plina u tekućini, je direktno proporcionalna sa parcijalnim tlakom tog plina, u ravnoteži sa tekućinom.

$p=k_{\rm {H}}\,c$

gdje je: p – parcijalni tlak otopljene tvari u plinu iznad otopine, c – koncentracija otopljene tvari i k_H – Henryeva konstanta, koja ovisi o otopljenoj tvari, otapalu i temperaturi.

Izvori

• Castka Joseph F.; Metcalfe, H. Clark; Davis, Raymond E.; Williams, John E.: "Modern Chemistry", publisher=Holt, Rinehart and Winston, 2002.
• Guch Ian: "The Complete Idiot's Guide to Chemistry", publisher=Alpha, Penguin Group Inc., 2003.
• Zumdahl Steven S.: "Chemical Principles", publisher=Houghton Millfin Company, 1998.