6.1: Kinetisk molekylærteori: En model for gasser

Gassers tryk

Gasmolekylernes konstante tilfældige bevægelse får dem til at støde sammen med hinanden og med væggene i deres beholder. Disse kollisioner mellem gasmolekyler og deres omgivelser udøver et tryk på omgivelserne. Når man puster en ballon op, skubber luftpartiklerne inde i ballonen mod de elastiske sider, ballonens vægge skubbes udad og holdes fast. Dette tryk opstår ved at luftmolekylerne slår mod ballonens indervægge.

Der er tre enheder for tryk, der almindeligvis anvendes i kemi. Tryk måles almindeligvis på et apparat kaldet et monometer, der svarer til det barometer, som en meteorolog bruger. Tryk i monometre registreres typisk i enheder af millimeter kviksølv, forkortet \(\text{mm} \: \ce{Hg}\). Tryk er defineret som den udøvede kraft divideret med det areal, over hvilket kraften udøves.

Luftmolekylerne i vores atmosfære udøver tryk på enhver overflade, der er i kontakt med luft. Lufttrykket i vores atmosfære på havniveau er ca. \(15 \(15 \: \text{lbs/in}^2\). Dette tryk er ubemærket, fordi luften ikke kun befinder sig uden for overfladerne, men også indeni, hvilket gør det muligt for det atmosfæriske lufttryk at være afbalanceret. Det tryk, der udøves af vores atmosfære, vil imidlertid hurtigt blive bemærket, hvis luften fjernes eller reduceres inde i en genstand. En almindelig demonstration af lufttryk foregår ved hjælp af en metaldåse på en gallon. Dåsen har et par dråber vand placeret indeni og er derefter opvarmet til kogepunktet. Vandet inde i dåsen fordamper og udvider sig og fylder dåsen, hvorved luften presses ud. Låget forsegles derefter tæt på dåsen. Når dåsen afkøles, kondenserer vanddampen inde i dåsen tilbage til flydende vand, så der ikke er flere luftmolekyler inde i dåsen. Efterhånden som vanddampen kondenserer til flydende vand, trykker lufttrykket uden for dåsen langsomt dåsen flad.

Mennesker har naturligvis også et atmosfærisk tryk, der presser på dem. En person af gennemsnitsstørrelse har sandsynligvis en samlet kraft, der udøves på ham fra atmosfæren, på over 25.000 pund. Heldigvis har mennesker også luft indeni sig til at afbalancere denne kraft. Et apparat til måling af det atmosfæriske tryk, barometeret, blev opfundet i 1643 af en italiensk videnskabsmand ved navn Evangelista Torricelli (1608-1647), som havde været elev af Galilei. Torricellis barometer blev konstrueret ved at fylde et glasrør, der var åbent i den ene ende og lukket i den anden, med flydende kviksølv og derefter vende røret i et fad med kviksølv.

Kviksølvet i røret faldt til en sådan højde, at forskellen mellem overfladen af kviksølvet i fadet og toppen af kviksølvsøjlen i røret var 760 millimeter. Volumenet af tomt rum over kviksølvet i røret var et vakuum. Forklaringen på, at kviksølvet bliver i røret, er, at der ikke er nogen luftmolekyler, der banker på toppen af kviksølvet i røret. Vægten af kviksølvet i røret divideret med arealet af åbningen i røret er nøjagtig lig med det atmosfæriske tryk.

Højden, som kviksølvet holdes op til, ville kun være 760 millimeter, når lufttrykket er normalt og på havniveau. Det atmosfæriske tryk ændrer sig på grund af vejrforholdene, og højden af kviksølvet i barometeret vil ændre sig med det. Det atmosfæriske tryk varierer også med højden. Højere højder har lavere lufttryk, fordi luften er “tyndere” – færre luftmolekyler pr. volumenenhed. I bjergene, i en højde på 9600 fod, vil det normale atmosfæriske tryk kun kunne bære en kviksølvsøjle på \(520 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\).

Af forskellige årsager har kemien mange forskellige enheder til at måle og udtrykke gastryk. Du skal være bekendt med de fleste af dem, så du kan omregne dem til foretrukne enheder. Da instrumenter til måling af tryk ofte indeholder en kviksølvsøjle, er de mest almindeligt anvendte enheder for tryk baseret på den højde af kviksølvsøjlen, som gassen kan bære. Den oprindelige enhed i kemi for gastryk var \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) (millimeter kviksølv). Det normale atmosfæriske tryk på havniveau er \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Denne enhed er noget af et problem, for selv om det er en trykenhed, ligner den meget en længdeenhed. Især studerende udelader af og til \(\ce{Hg}\), og så ser det helt sikkert ud til at være en længdeenhed. For at fjerne dette problem har man givet enheden et andet navn. Den blev kaldt \(\text{torr}\) til ære for Torricelli. \(760 \: \text{torr}\) er nøjagtig det samme som \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). I forbindelse med visse arbejder blev det praktisk at udtrykke gastrykket i multipla af det normale atmosfæriske tryk på havniveau, og derfor blev enheden atmosfære \(\left( \text{atm} \right)\) indført. De omregninger, du har brug for at kende mellem forskellige trykenheder, er:

\

Dette eksempel viser, hvordan man udfører denne omregning ved hjælp af dimensionel analyse. Hvis du husker typen, kan du bare huske, at for at konvertere fra \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) til \(\text{atm}\) skal du dividere med 760.