6.1: Kinetische Molekulartheorie: Ein Modell für Gase

Druck von Gasen

Die ständige zufällige Bewegung der Gasmoleküle bewirkt, dass sie miteinander und mit den Wänden ihres Behälters zusammenstoßen. Diese Zusammenstöße von Gasmolekülen mit ihrer Umgebung üben einen Druck auf die Umgebung aus. Wenn man einen Luftballon aufbläst, stoßen die Luftteilchen im Inneren des Ballons gegen die elastischen Seiten, die Wände des Ballons werden nach außen gedrückt und fest gehalten. Dieser Druck wird durch Luftmoleküle erzeugt, die an die Innenwände des Ballons stoßen.

Es gibt drei Druckeinheiten, die in der Chemie allgemein verwendet werden. Der Druck wird üblicherweise mit einem Gerät gemessen, das Monometer genannt wird, ähnlich dem Barometer, das ein Meteorologe verwendet. Der Druck in Monometern wird in der Regel in Millimeter Quecksilber, abgekürzt \(\text{mm} \: \ce{Hg}\), gemessen. Druck ist definiert als die ausgeübte Kraft geteilt durch die Fläche, auf die die Kraft ausgeübt wird.

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Die Luftmoleküle in unserer Atmosphäre üben Druck auf jede Oberfläche aus, die mit Luft in Berührung kommt. Der Luftdruck unserer Atmosphäre auf Meereshöhe beträgt etwa \(15 \: \text{lbs/in}^2\). Dieser Druck bleibt unbemerkt, weil sich die Luft nicht nur außerhalb der Oberflächen befindet, sondern auch im Inneren, so dass der atmosphärische Luftdruck ausgeglichen wird. Der von unserer Atmosphäre ausgeübte Druck macht sich jedoch schnell bemerkbar, wenn die Luft im Inneren eines Objekts entfernt oder reduziert wird. Eine gängige Demonstration des Luftdrucks wird mit einer Ein-Gallonen-Metalldose durchgeführt. In die Dose werden einige Tropfen Wasser gegeben und dann bis zum Siedepunkt erhitzt. Das Wasser im Inneren der Dose verdampft und dehnt sich aus, um die Dose zu füllen, wobei die Luft herausgedrückt wird. Der Deckel wird dann fest auf der Dose verschlossen. Wenn die Dose abkühlt, kondensiert der Wasserdampf im Inneren wieder zu flüssigem Wasser, so dass im Inneren der Dose keine Luftmoleküle mehr vorhanden sind. Während der Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensiert, drückt der Luftdruck außerhalb der Dose die Dose langsam platt.

Auch auf den Menschen wirkt natürlich der atmosphärische Druck. Auf eine durchschnittlich große Person wirkt wahrscheinlich eine Gesamtkraft von über 25.000 Pfund aus der Atmosphäre. Glücklicherweise hat der Mensch auch Luft in sich, um diese Kraft auszugleichen. Ein Gerät zur Messung des atmosphärischen Drucks, das Barometer, wurde 1643 von einem italienischen Wissenschaftler namens Evangelista Torricelli (1608 – 1647) erfunden, der ein Schüler von Galilei gewesen war. Torricellis Barometer wurde konstruiert, indem ein Glasrohr, das an einem Ende offen und am anderen geschlossen war, mit flüssigem Quecksilber gefüllt und dann in eine Quecksilberschale umgedreht wurde.

Das Quecksilber im Rohr fiel so hoch, dass der Unterschied zwischen der Oberfläche des Quecksilbers in der Schale und dem oberen Ende der Quecksilbersäule im Rohr 760 Millimeter betrug. Das Volumen des leeren Raums über dem Quecksilber in der Röhre war ein Vakuum. Die Erklärung dafür, warum das Quecksilber in der Röhre bleibt, ist, dass keine Luftmoleküle auf die Oberseite des Quecksilbers in der Röhre stoßen. Das Gewicht des Quecksilbers in der Röhre geteilt durch die Fläche der Öffnung in der Röhre ist genau gleich dem atmosphärischen Druck.

Die Höhe, in der das Quecksilber gehalten wird, beträgt nur 760 Millimeter, wenn der Luftdruck normal und auf Meereshöhe ist. Der atmosphärische Druck ändert sich aufgrund der Wetterbedingungen und die Höhe des Quecksilbers im Barometer ändert sich mit ihm. Der atmosphärische Druck variiert auch mit der Höhe. In größeren Höhen ist der Luftdruck niedriger, weil die Luft „dünner“ ist – weniger Luftmoleküle pro Volumeneinheit. In den Bergen, in einer Höhe von 1.600 m, hält der normale atmosphärische Druck nur eine Quecksilbersäule von \(520 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\) aus.

Aus verschiedenen Gründen gibt es in der Chemie viele verschiedene Einheiten zur Messung und Angabe des Gasdrucks. Sie müssen mit den meisten von ihnen vertraut sein, damit Sie sie in Ihre bevorzugten Einheiten umrechnen können. Da Instrumente zur Druckmessung oft eine Quecksilbersäule enthalten, basieren die am häufigsten verwendeten Druckeinheiten auf der Höhe der Quecksilbersäule, die das Gas tragen kann. Die ursprüngliche Einheit in der Chemie für Gasdruck war \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) (Millimeter Quecksilber). Der Standardatmosphärendruck auf Meereshöhe ist \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Diese Einheit ist etwas problematisch, weil sie zwar eine Druckeinheit ist, aber sehr wie eine Längeneinheit aussieht. Vor allem Schüler lassen gelegentlich das \(\ce{Hg}\) weg, und dann sieht es definitiv wie eine Längeneinheit aus. Um dieses Problem zu beseitigen, wurde der Einheit ein anderer Name gegeben. Sie wurde zu Ehren von Torricelli \(\text{torr}\) genannt. \(760 \: \text{torr}\) ist genau dasselbe wie \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Für bestimmte Arbeiten wurde es zweckmäßig, den Gasdruck als Vielfaches des normalen atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe auszudrücken, und so wurde die Einheit Atmosphäre \(\text{atm} \rechts)\) eingeführt. Die Umrechnungen zwischen den verschiedenen Druckeinheiten sind:

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Dieses Beispiel zeigt, wie man diese Umrechnung mithilfe der Dimensionsanalyse durchführt. Wenn Sie sich den Typ merken, können Sie sich einfach merken, dass Sie zur Umrechnung von \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) in \(\text{atm}\) durch 760 dividieren müssen.