Égal volumes, égal nombre de particules
Dans un gaz parfait, les particules ont un volume négligeable, donc le volume d'un gaz dépend uniquement du nombre de particules qu'il contient, pas de leur nature. Loi d'Avogadro : des volumes égaux de tous les gaz à la même température et pression contiennent le même nombre de particules.
Ainsi, une mole de tout gaz parfait a le même volume à une température et une pression données. C'est le volume molaire. À température et pression normales (STP : $273\ \text{K}$ et $100\ \text{kPa}$) :
$$V_m = 22.7\ \text{dm}^3\ \text{mol}^{-1}$$
$$n = \frac{V}{V_m}$$
Par exemple, $0.500\ \text{mol}$ d'oxygène ou de dioxyde de carbone à STP occupent chacun $0.500 \times 22.7 = 11.4\ \text{dm}^3$.
Comme le volume est proportionnel à la quantité, les coefficients dans une équation bilan pour les gaz donnent aussi leur rapport volumique. Dans $\text{N}_2(\text{g}) + 3\text{H}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{NH}_3(\text{g})$, $10\ \text{cm}^3$ d'azote réagit avec $30\ \text{cm}^3$ d'hydrogène pour donner $20\ \text{cm}^3$ d'ammoniac, toutes mesurées à la même température et pression.
Équation des gaz parfaits
En intégrant la quantité dans la loi combinée, on obtient l'équation des gaz parfaits :
$$pV = nRT$$
$R$ est la constante des gaz, $8.31\ \text{J K}^{-1}\ \text{mol}^{-1}$. Les unités doivent correspondre à $R$ :
| Quantité |
Unité SI |
Conversion depuis |
| $p$ |
Pa |
$1\ \text{kPa} = 10^{3}\ \text{Pa}$ |
| $V$ |
m$^3$ |
$1\ \text{dm}^3 = 10^{-3}\ \text{m}^3$; $1\ \text{cm}^3 = 10^{-6}\ \text{m}^3$ |
| $T$ |
K |
ajouter 273 à °C |
Un raccourci utile : kPa multiplié par dm$^3$ donne aussi des joules, vous pouvez donc utiliser kPa avec dm$^3$ dans la même équation.
Exemple résolu : trouver une masse molaire. Un échantillon de gaz de $0.320\ \text{g}$ occupe un volume de $180\ \text{cm}^3$ à $300\ \text{K}$ et $100\ \text{kPa}$. Trouvez sa masse molaire.
- Conversion : $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$, $V = 180 \times 10^{-6} = 1.80 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$.
- Quantité de matière : $n = \dfrac{pV}{RT} = \dfrac{1.00 \times 10^{5} \times 1.80 \times 10^{-4}}{8.31 \times 300} = 7.22 \times 10^{-3}\ \text{mol}$.
- Masse molaire : $M = \dfrac{m}{n} = \dfrac{0.320}{7.22 \times 10^{-3}} = 44.3\ \text{g mol}^{-1}$.
- Interprétation : cette valeur est proche de $44.0\ \text{g mol}^{-1}$, le gaz pourrait donc être du dioxyde de carbone ou du propane.