Hukum gas ideal, PV = nRT, menyatukan empat sifat yang menggambarkan gas apa pun: tekanan, volume, jumlah, dan suhu. Ini adalah salah satu persamaan yang paling berguna dalam kimia dan fisika karena, dengan tiga besaran yang diketahui, besaran keempat akan segera menyusul. Artikel ini menjelaskan dari mana hukum tersebut berasal, bagaimana menjaga unit Anda tetap konsisten, apa arti konstanta gas, dan kapan gas nyata berhenti berperilaku ideal.
Dimana PV = nRT berasal
Hukum gas ideal merupakan sintesis dari tiga hukum gas eksperimental yang ditemukan pada abad ke-17 dan ke-18. Hukum Boyle menemukan bahwa tekanan dan volume berbanding terbalik pada suhu tetap (PV = konstan). Hukum Charles menunjukkan volume sebanding dengan suhu absolut pada tekanan tetap (V/T = konstan). Hukum Avogadro menetapkan bahwa gas dengan volume yang sama pada suhu dan tekanan yang sama mengandung jumlah molekul yang sama (V ∝ n). Menggabungkan ketiganya menghasilkan PV = nRT, dengan konstanta tunggal R menunjukkan proporsionalitas untuk setiap gas ideal. Hukum ini mengasumsikan partikel-partikel gas mempunyai volume yang dapat diabaikan dan tidak memberikan gaya satu sama lain kecuali selama tumbukan elastik singkat – asumsi ini berlaku baik untuk gas nyata pada suhu dan tekanan biasa. Ini adalah persamaan pekerja keras di balik segala sesuatu mulai dari meja selam hingga kimia atmosfer.
Menjaga unit Anda tetap konsisten
Satu-satunya kesalahan yang paling umum dalam hukum gas adalah mencampurkan satuan, dan kalkulator di atas menghilangkan risiko tersebut dengan mengonversi semuanya secara internal ke SI (pascal, meter kubik, mol, kelvin). Aturan yang tidak dapat dinegosiasikan adalah suhu harus mutlak: selalu ubah Celsius (K = °C + 273.15) atau Fahrenheit (K = (°F − 32) × 5/9 + 273.15) ke kelvin sebelum melakukan substitusi. Tekanan dan volume dapat dalam satuan apa pun asalkan nilai R sesuai — menggunakan R = 0,082057 L·atm/(mol·K) berarti tekanan dalam atm dan volume dalam liter, sedangkan R = 8,314 J/(mol·K) berarti tekanan dalam pascal dan volume dalam meter kubik. Kalkulator memilih R yang tepat untuk Anda, sehingga Anda bebas memasukkan tekanan dalam psi dan volume dalam mililiter dan tetap mendapatkan jawaban yang benar; konversi terjadi di balik layar.
Bekerja dalam gram, bukan mol
Gas laboratorium biasanya ditimbang, tidak dihitung, sehingga sering kali Anda memulai dengan massa, bukan jumlah mol. Jembatannya adalah massa molar M: n = m / M, dengan m adalah massa dalam gram dan M adalah massa molar dalam g/mol. Misalnya, 32 g gas oksigen (O₂, M = 32,00 g/mol) sama dengan 1 mol, yang menempati 22,4 L pada STP. Jumlah yang dimasukkan pada tab PV = nRT memungkinkan Anda beralih antara mol dan gram; memilih gram akan menampilkan bidang massa molar dengan preset sekali klik untuk gas umum seperti H₂ (2,02), N₂ (28,01), O₂ (32,00), CO₂ (44,01), dan uap air (18,02). Hal ini memudahkan peralihan langsung dari pembacaan keseimbangan ke tekanan, volume, atau suhu tanpa langkah konversi terpisah.
STP, NTP, dan volume molar
Karena hukum gas menetapkan hubungan antara keempat variabel, memilih suhu dan tekanan standar akan menentukan volume molar — ruang yang ditempati oleh satu mol. Di bawah STP sebelumnya (0 °C dan 1 atm) volumenya mencapai 22,414 L/mol. Pada tahun 1982 IUPAC mendefinisikan ulang tekanan standar menjadi 100 kPa (0,987 atm), menghasilkan volume molar sebesar 22,711 L/mol pada 0 °C, sehingga buku teks yang menyatakan 22,4 L dan buku teks yang menyatakan 22,7 L keduanya benar untuk konvensi masing-masing. NTP (suhu dan tekanan normal, 25 °C dan 1 atm) menghasilkan 24,465 L/mol. Tab STP di kalkulator memungkinkan Anda beralih di antara ketiga standar tersebut dan langsung melihat berapa liter yang ditempati oleh jumlah gas tertentu, yang berguna untuk memeriksa masalah stoikiometri dan penghitungan hasil gas dengan cepat.
Ketika gas berhenti berperilaku ideal
Tidak ada gas yang benar-benar ideal. Model ini rusak ketika molekul-molekul dipaksa berdekatan — pada tekanan tinggi, ketika volumenya tidak lagi dapat diabaikan, dan pada suhu rendah, ketika gaya tarik-menarik yang lemah antar molekul menjadi signifikan dan pada akhirnya dapat mengembunkan gas menjadi cairan. Contoh silinder 150 atm di atas adalah kasus dimana jawaban ideal hanyalah perkiraan. Model yang lebih akurat seperti persamaan van der Waals menambahkan suku koreksi untuk volume molekul dan tarikan antarmolekul, dan para insinyur menggunakan faktor kompresibilitas Z yang ditabulasikan (dengan PV = ZnRT) untuk pekerjaan presisi dengan gas padat atau mendekati kondensasi. Untuk sebagian besar situasi sehari-hari — udara dalam ruangan, balon, PR hukum gas yang mendekati suhu ruangan dan tekanan atmosfer — hukum gas ideal akurat dalam satu atau dua persen, itulah sebabnya hukum ini tetap menjadi alat pertama yang digunakan oleh ahli kimia mana pun.