6.1: Kineettinen molekyyliteoria: A Model for Gases

Pressure of Gases

Gasimolekyylien jatkuva satunnainen liike saa ne törmäämään toisiinsa ja säiliönsä seinämiin. Nämä kaasumolekyylien törmäykset ympäristöönsä aiheuttavat ympäristöönsä painetta. Kun puhallat ilmapallon täyteen, ilmapallon sisällä olevat ilmahiukkaset työntyvät elastisia sivuja vasten, ilmapallon seinämät työntyvät ulospäin ja pysyvät lujina. Tämä paine syntyy ilmamolekyylien lyödessä ilmapallon sisäseinämiä.

Kemiassa käytetään yleisesti kolmea paineen yksikköä. Paine mitataan yleisesti monometriksi kutsutulla laitteella, joka on samanlainen kuin meteorologin käyttämä ilmapuntari. Monometrien paineet kirjataan tyypillisesti elohopeamillimetreinä, lyhennettynä \(\text{mm} \: \ce{Hg}\). Paine määritellään kohdistuvana voimana jaettuna pinta-alalla, jolle voima kohdistuu.

\\

Koska ilmakehämme ilmamolekyylit kohdistavat painetta jokaiseen pintaan, joka on kosketuksissa ilman kanssa. Ilmakehämme ilmanpaine merenpinnan tasolla on noin \(15 \: \text{lbs/in}^2\). Tämä paine on huomaamaton, koska ilma ei ole vain pintojen ulkopuolella vaan myös sisällä, jolloin ilmakehän ilmanpaine on tasapainossa. Ilmakehämme aiheuttama paine huomataan kuitenkin nopeasti, jos ilma poistetaan tai sitä vähennetään esineen sisältä. Tavallisessa ilmanpaineen havainnollistamisessa käytetään yhden gallonan metallitölkkiä. Purkin sisälle laitetaan muutama pisara vettä, joka kuumennetaan kiehuvaksi. Tölkin sisällä oleva vesi höyrystyy ja laajenee täyttämään tölkin ja työntää ilman ulos. Sen jälkeen kansi suljetaan tiiviisti tölkin päälle. Kun tölkki jäähtyy, sen sisällä oleva vesihöyry tiivistyy takaisin nestemäiseksi vedeksi, jolloin tölkin sisältä puuttuu ilmamolekyylejä. Kun vesihöyry tiivistyy nestemäiseksi vedeksi, purkin ulkopuolinen ilmanpaine murskaa purkin hitaasti litteäksi.

Ihmisillä on tietysti myös ilmakehän paine, joka painaa heitä. Keskikokoiseen ihmiseen kohdistuu ilmakehästä todennäköisesti yli 25 000 kilon kokonaisvoima. Onneksi ihmisten sisällä on myös ilmaa, joka tasapainottaa voimaa. Ilmanpaineen mittaamiseen tarkoitetun laitteen, barometrin, keksi vuonna 1643 italialainen tiedemies Evangelista Torricelli (1608 – 1647), joka oli Galilein oppilas. Torricellin barometri rakennettiin täyttämällä toisesta päästä avoin ja toisesta päästä suljettu lasiputki nestemäisellä elohopealla ja kääntämällä putki elohopea-astiaan.

Putkessa oleva elohopea putosi sellaiselle korkeudelle, että astian elohopean pinnan ja putkessa olevan elohopeapatsaan yläreunan välinen ero oli 760 millimetriä. Putkessa olevan elohopean yläpuolella oleva tyhjä tilavuus oli tyhjiö. Selitys sille, miksi elohopea pysyy putkessa, on se, että putkessa olevan elohopeapatsaan yläosaan ei iske ilmamolekyylejä. Putkessa olevan elohopean paino jaettuna putken aukon pinta-alalla on täsmälleen yhtä suuri kuin ilmanpaine.

Korkeus, johon elohopea pysyy, olisi vain 760 millimetriä, kun ilmanpaine on normaali ja merenpinnan tasolla. Ilmanpaine muuttuu sääolosuhteiden vuoksi ja barometrin elohopean korkeus muuttuu sen mukana. Ilmanpaine vaihtelee myös korkeuden mukaan. Korkeammilla paikoilla ilmanpaine on alhaisempi, koska ilma on ”ohuempaa” eli vähemmän ilmamolekyylejä tilavuusyksikköä kohti. Vuoristossa, 9600 jalan korkeudessa, normaali ilmanpaine kestää vain \(520 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\) elohopeapatsaan.

Kemiassa on monista eri syistä monia eri yksiköitä kaasunpaineen mittaamiseen ja ilmaisemiseen. Sinun on tunnettava useimmat niistä, jotta voit muuntaa ne haluamiisi yksiköihin. Koska paineen mittauslaitteissa on usein elohopeapylväs, yleisimmin käytetyt paineen yksiköt perustuvat elohopeapylvään korkeuteen, jonka kaasu kestää. Alkuperäinen kaasunpaineen yksikkö kemiassa oli \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) (elohopeamillimetriä). Normaali ilmanpaine merenpinnan tasolla on \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Tämä yksikkö on hieman ongelmallinen, koska vaikka se on paineyksikkö, se näyttää paljon pituusyksiköltä. Erityisesti opiskelijat jättävät toisinaan \(\ce{Hg}\) pois, jolloin se näyttää ehdottomasti pituusyksiköltä. Tämän ongelman poistamiseksi yksikölle annettiin toinen nimi. Se nimettiin \(\text{torr}\) Torricellin kunniaksi. \(760 \: \text{torr}\) on täsmälleen sama kuin \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Tiettyjä töitä varten oli kätevää ilmaista kaasunpaine merenpinnan tasolla vallitsevan normaalin ilmanpaineen moninkertaisina lukuina, ja siksi otettiin käyttöön yksikkö ilmakehä \(\left( \text{atm} \right)\). Eri paineyksiköiden välillä tarvittavat muunnokset ovat:

\

Tässä esimerkissä näytetään, miten tämä muunnos suoritetaan käyttämällä dimensioanalyysia. Jos muistat tyypin ulkoa, voit vain muistaa, että muunnettaessa \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) arvosta \(\text{atm}\) sinun on jaettava 760:llä.