ძირითადი მასალა

კურსი: ქიმია > თემა 6

გაკვეთილი 2: არაიდეალური აირის ქცევა

არაიდეალური აირების ქცევა

როგორ განსხვავდებიან რეალური აირები იდეალურისგან; როდის აქვს მნიშვნელობა მოლეკულათშორის მიზიდულობასა და აირის მოლეკულის მოცულობას

რადგანაც ცხოვრება ხანდახან იდეალური არაა

აქამდე ალბათ უკვე გსმენიათ იდეალურ აირთა კანონის შახებ, ალბათ ისიც იცით, როგორ გამოიყენოთ იდეალურ აირთა განტოლება, რათა დააკვირდეთ წნევას (

P

), მოცულობას (

V

), აირის მოლებს (

n

) და ტემპერატურას (

T

) შორის ურთიერთდამოკიდებულებას. მაგრამ როდის მიჰყვებიან აირები იდეალურ აირთა კანონს და რატომ? რა ხდება მაშინ, თუ გვინდა შევისწავლოთ აირი, რომელიც "არაიდეალურად" იქცევა? როდესაც ვიყენებთ იდეალურ აირთა კანონს, ჩვენ გავაკეთეთ რამდენიმე დაშვება:

1.

ჩვენ შეგვიძლია უგულვებელვყოთ მოცულობა, რომლებსაც წარმოსახვითი იდეალური აირის მოლეკულები იკავებენ

2.

აირთა მოლეკულები არ იზიდავენ ან განიზიდავენ ერთმანეთს

მიუხედავად ამისა, ვიცით, რომ რეალურ ცხოვრებაში აირები შედგებიან ატომებისგან და მოლეკულებისგან, რომლებიც იკავებენ სასრულ მოცულობას და, ასევე, ვიცით, რომ ატომები და მოლეკულები ერთმანეთთან მოლეკულათაშორისი ძალებით ურთიერთქმედებენ.

კუმშვადობა: იდეალური ქცევის საზომი

ერთი გზა, რომლითაც შეგვიძლია, დავაკვირდეთ, რამდენად ზუსტად აღწერს იდეალურ აირთა კანონი ჩვენს სისტემას, არის ჩვენი რეალური აირის,

V_{m}

, მოლური მოცულობის შედარება იდეალური აირის მოლურ მოცულობასთან, იგივე ტემპერატურასა და წნევაზე. უფრო რომ დავკონკრეტდეთ, რაიმე ტემპერატურაზე შეგვიძლია, ავიღოთ ჩვენი აირის

n

მოლი და გავზომოთ, რა მოცულობას იკავებს მოცემულ წნევაზე (ან გავზომოთ წნევა უკვე ჩვენთვის ცნობილ მოცულობაზე). ასევე, შეგვიძლია, გამოვთვალოთ, იდეალური აირის მოლური მოცულობა იმავე ტემპერატურასა და წნევაზე და შემდეგ ვნახოთ მოცულობათა თანაფარდობა.

Z = \frac{\frac{V}{n}}{\frac{R T}{P}} = \frac{P V}{n R T}

ამ ფარდობას კუმშვადობა ან კუმშვადობის ფაქტორი,

Z

, ეწოდება. იდეალური ქცევის მქონე აირისთვის, აირის

V_{m}

იგივეა, რაც იდეალური აირის

V_{m}

, ამიტომ

Z = 1

-ს. აღმოჩნდა, რომ ეს საკმაოდ ზუსტი რამაა რეალური აირებისთვის, გარკვეულ პირობებში, რომლებიც აირის ბუნებაზეა დამოკიდებული. მოდი, ვნახოთ, კუმშვადობა,

Z

, რამდენიმე სხვადასხვა აირის მაგალითზე.

ეს გრაფიკი გვიჩვენებს კუმშვადობის ფაქტორს,

Z

-ს, სხვადასხვა წნევაზე,

273 K

-ზე აზოტისთვის (

N_{2}

), ჟანგბადისთვის (

O_{2}

), წყალბადისთვის (

H_{2}

), და ნახშირორჟანგისთვის (

{CO}_{2}

). ყოველი ამ რეალური აირის მაგალითზე შეიძლება, შეამჩნიოთ, რომ მრუდის ფორმები ყველასთვის განსხვავებულია და ისინი მხოლოდ მიახლოებით გამოხატავენ იდეალური აირის წრფეს

Z = 1

-ს შეზღუდული წნევის ფარგლებში. ასევე, ყველა რეალური აირისთვის

Z

ხანდახან

1

-ზე ნაკლებია ძალიან დაბალი წნევის შემთხვევაში, რაც მიგვითითებს, რომ მისი მოლური მოცულობა უფრო ნაკლებია, ვიდრე იდეალური აირისა. რაც უფრო გავზრდით წნევას გარკვეულ წერტილამდე, რაც გაზზეა დამოკიდებული,

Z

1

-ზე უფრო და უფრო მეტი გახდება. ეს გვიჩვენებს, რომ აირის

V_{m}

მაღალ წნევაზე უფრო დიდია, ვიდრე იდეალური აირის

V_{m}

და რეალური აირის

V_{m}

იზრდება წნევასთან ერთად. რატომ ხდება ასე?

კარგი, ეს ცოტა ეშმაკური შეკითხვა იყო. პასუხი დამოკიდებულია იმ წნევაზე ან წნევის ფარგლებზე, რომლითაც დაინტერესებული ხარ!

1 ბარი

-ს ფარგლებში, ყველა აირი იდეალურთან ახლოსაა (გახსოვდეს, რომ სტანდარტული წნევაა

1 ატმ

ან ~

1 ბარი

, რაც დაახლოებით ატმოსფერული წნევაა, თუ მთა ევერესტის მწვერვალზე ან ოკეანის ფსკერზე არ ცხოვრობ). მაღალ წნევაზე (

50 ბარი

, წყალბადი, ჟანგბადი და აზოტი მეტად არიან იდეალურთან ახლოს, ვიდრე ნახშირორჟანგი.

მაღალი წნევა: როცა აირის მოლეკულები ძალიან ბევრ ადგილს იკავებენ

მაღალ წნევაზე აირთა მოლეკულები მეტად შემჭიდროებულნი ხდებიან და მოლეკულებს შორის არსებული ცარიელი სივრცის რაოდენობა შემცირებულია. როგორ ზემოქმედებს ეს

V_{m}

-ზე და

Z

-ზე? კარგია, თუ გვემახსოვრება, რომ მოცულობა, რომელსაც იდეალურ აირთა განტოლებაში ვიყენებთ, არის ცარიელი მოცულობა, რომელშიც აირთა მოლეკულებს მოძრაობა შეუძლიათ. ჩვენ, ჩვეულებრივ, ვუშვებთ, რომ ის იგივეა, რაც ჭურჭლის მოცულობა, როდესაც აირთა მოლეკულები ძალიან ბევრ ადგილს არ იკავებენ. მაგრამ რა ხდება მაშინ, როცა განსხვავებული შემთხვევა გვაქვს, მაგალითად, მაღალი წნევის დროს?

მოცემულ წნევაზე, რეალური აირი დაიკავებს იმაზე მეტ მოცულობას, ვიდრე ამას იდეალურ აირთა კანონი წინასწარმეტყველებს, ვინაიდან უნდა გავითვალისწინოთ თავად აირთა მოლეკულების დამატებითი მოცულობა. ეს ზრდის ჩვენს მოლური მოცულობის ფარდობას იდეალურ აირთან, რაც შედეგად გვაძლევს

1

-ზე მაღალი მნიშვნელობის

Z

-ს. მოლური მოცულობის ეს შეცდომა უარესდება, რაც უფრო მეტად შეკუმშული ხდება აირი, სწორედ ამიტომ იზრდება წნევასთან ერთად

Z

-ს მნიშვნელობა რეალური და იდეალური აირებისთვის.

ერთი აზოტის მოლეკულის მოცულობაა ~

6, 5

10^{- 23} {სმ}^{3}

, ან

39, 13 {სმ}^{3}

აზოტის მოლისთვის. თუ გვაქვს 1 მოლი აზოტის აირი

1, 00 ლ

-იან ჭურჭელში

298 K

-ზე, წნევა ფარდობითად მაღალია (~

22, 8 ბარი

იდეალურ აირთა კანონის გამოყენებით). ამ წნევაზე და მოცულობაზე აზოტის ატომები იკავებენ კოლბის მოცულობის

4 %

-ს.

დაბალი ტემპერატურა და მოლეკულათაშორისი ძალები

იმისთვის, რომ დავაკვირდეთ მოლეკულათაშორისი ძალების ეფექტს, მოდით, შევხედოთ ერთი ტიპის აირის კუმშვადობას სხვადასხვა ტემპერატურაზე.

აზოტის შემთხვევაში ვხედავთ, რომ, როცა

T = 300 K

-ს და

400 K

-ს და წნევა

200 ბარ

-ზე დაბალია, მრუდი ისეთია, როგორიც იდეალური აირის შემთხვევაში ვივარაუდებდით, რომ გვექნებოდა. როცა ტემპერატურას ვამცირებთ

200 K

-ზე და

100 K

-ზე, მრუდები ნაკლებად ჰგვანან იდეალურს, უფრო კონკრეტულად კი, დაბალ წნევაზე ვხედავთ, რომ რეალური აირების

Z

შესამჩნევად მცირეა, ვიდრე

1

T = 200 K

-ზე. ეს ეფექტი უფრო გამოკვეთილია

100 K

-ზე. რა ხდება დაბალ ტემპერატურაზე?

წარმოიდგინეთ, როგორ დახტუნავენ ჩვენი აირის მოლეკულები ჭურჭელში. წნევა, რომელსაც ვზომავთ, მოდის აირის მოლეკულების ჭურჭლის კედლებზე შეჯახების ძალისგან. მოლეკულებს შორის არსებული მიზიდულობის ძალები მათ ოდნავ ახლოს ამყოფებენ, რაც ცოტათი ანელებს მოლეკულას, სანამ ის ჭურჭლის კედელს მიეჯახება.

ეს შედეგად გვაძლევს მოცულობის შემცირებას, თუკი წნევა მუდმივია, იმასთან შედარებით, რასაც ვივარაუდებდით, რომ გვექნებოდა იდეალურ აირთა განტოლების საფუძველზე. შემცირებული მოცულობის საპასუხოდ, იდეალურ აირთან შედარებით, მცირდება

V_{m}

, ასე რომ,

Z < 1

. მოლეკულათაშორისი ძალების ეფექტი უფრო გამოკვეთილია დაბალ ტემპერატურაზე, რადგანაც მოლეკულებს აქვთ ნაკლები კინეტიკური ენერგია მოლეკულათაშორისი ძალების დასაძლევად.

ვან დერ ვაალსის განტოლება

ჩვენ შეგვიძლია, გამოვიყენოთ რამდენიმე სხვადასხვა განტოლება, რათა აღვწეროთ რეალური აირების ქცევა, მაგრამ მათგან ყველაზე მარტივია ვან დერ ვაალსის (ვდვ) განტოლება. ვდვ განტოლება აირის მოლეკულის მოცულობის და მოლეკულათაშორისი ძალების ეფექტს სვამს იდეალურ აირთა განტოლებაში.

[P + \frac{a n^{2}}{V^{2}}] [V - n b] = n R T

სადაც:

P =

გაზომილი წნევა

V =

ჭურჭლის მოცულობა

n =

აირთა მოლები

R =

აირთა მუდმივა

T =

ტემპერატურა (კელვინებში)

იდეალურ აირთა კანონთან შედარებით, ვდვ განტოლება შეიცავს „შესწორებას“ წნევის შესახებ,

\frac{a n^{2}}{V^{2}}

, რაც განსაზღვრავს გაზომილი წნევის დაბალ მნიშვნელობას, რომელიც გამოწვეულია აირთა მოლეკულების ურთიერთმიზიდულობის შედეგად. მოლების,

n b

-ს „შესწორება“ ჭურჭლის მთლიან მოცულობას აკლებს აირთა მოლეკულების მოცულობას, რათა აირთა მოლეკულებისთვის ხელმისაწვდომი ცარიელი სივრცე უფრო ზუსტად გავზომოთ.

a

-სა და

b

ს არიან მუდმივები რაიმე კონკრეტული აირისთვის (და მცირედად დამოკიდებულნი არიან ტემპერატურასა და წნევაზე).

ეს განტოლება შეიძლება მეტად რთულად გამოიყურებოდეს, ვიდრე იდეალურ აირთა კანონი, მაგრამ ისინი საკმაოდ ახლოს დგანან ერთმანეთთან. ყურადღება მიაქციეთ, რომ, როცა

V

ფარდობითად მაღალია და

n

ფარდობითად დაბალი (დაბალი წნევის შემთხვევაში), ვან დერ ვაალსის განტოლება მარტივდება იდეალურ აირთა განტოლებამდე.

დაბალ ტემპერატურასა და წნევაზე, მოცულობის შესწორება იმდენად მნიშვნელოვანი არაა, რამდენადაც წნევის, შედეგად,

Z

არის

1

-ზე დაბალი. მაღალ წნევაზე, მოლეკულათა მოცულობის შესწორება მეტად მნიშვნელოვანი ხდება, შედეგად,

Z

მეტია

1

-ზე. გარკვეულ შუალედურ წნევაზე, ეს ორი შესწორება ერთმანეთს აბათილებს და აირი იქცევა ისე, როგორც ამას იდეალურ აირთა განტოლება ვარაუდობს.

სცადეთ, გამოიყვანოთ

Z

-ს ფორმულა არაიდეალური აირებისთვის ვან დერ ვაალსის განტოლებიდან იმ შემთხვევებში, როცა

P

საკმაოდ მაღალია, ან როცა ვითვალისწინებთ მოლეკულათაშორის ძალებს.
მაღალ წნევაზე,

P

გაცილებით მაღალია, ვიდრე

\frac{a n^{2}}{V^{2}} ​

, აქედან გამომდინარე, შეკუმშვის განტოლება მარტივდება და ვიღებთ

Z = 1 + \frac{b P}{R T}

-ს. შეიძლება, შეამჩნიოთ, რომ „შეცდომა“

Z

-ში,

\frac{b P}{R T} ​

, იზრდება

P

-ს ზრდასთან ერთად.
დაბალ ტემპერატურასა და წნევაზე, შეგვიძლია, უგულებელვყოთ მოცულობის შესწორება და, განტოლების გამარტივების შედეგად, მივიღებთ, რომ

Z = 1 - \frac{a n}{V R T}

. აქ შეგიძლიათ, ნახოთ, რომ

T

-ს შემცირება ზრდის

\frac{a n}{V R T} ​

-ს სიდიდეს.

შეჯამება

ერთი სიტყვით, იდეალურ აირთა განტოლება კარგად მუშაობს, როცა აირთა მოლეკულებს შორის მოქმედი მოლეკულათაშორისი ძალების უგულებელყოფა შეგვიძლია და თავად აირთა მოლეკულები არ იკავებენ მთლიანი ჭურჭლის მნიშვნელოვან ნაწილს. ეს დებულება სრულდება, როცა წნევა დაბალია (

1 ბარ

-ის ფარგლებში) და ტემპერატურა - მაღალი. სხვა სიტუაციაში, მაგალითად, როგორიცაა, მაღალი წნევა და/ან დაბალი ტემპერატურა, იდეალურ აირთა კანონმა შეიძლება ისეთ პასუხი მოგვცეს, რომელიც ჩვენი ექსპერიმენტალური დაკვირვებებისგან განსხვავება. ასეთ შემთხვევაში, შეგიძლიათ, გამოიყენოთ ვან დერ ვაალსის (ან რაიმე მსგავსი) განტოლება, რათა ფორმულაში გაითვალისწინოთ, რომ აირები ყოველთვის არ იქცევიან იდეალური აირების მსგავსად.

წყარო:

ეს სტატია ადაპტირებულია შემდეგი სტატიებიდან:

„არაიდეალურ აირთა ქცევა“. OpenStax Chemistry-დან, CC-BY-NC-SA 4,0
„რეალური აირები“. წყარო: UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3,0

სტატია ვრცელდება ლიცენზიით: CC-BY-NC-SA 4,0.

დამატებითი ბიბლიოგრაფია:

Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). არაიდეალურ აირთა ქცევები. ქიმია და ქიმიური რეაქციისუნარიანობა, მასწავლებელთა გამოცემა (მე-9 გამოცემა, გვერდები 399-401). Stamford, CT: Cengage Learning.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.