6.1: Kinetikus molekulaelmélet: A Gázok modellje

Gázok nyomása

A gázmolekulák állandó véletlenszerű mozgása miatt ütköznek egymással és a tartályuk falával. A gázmolekuláknak ezek az ütközései a környezetükkel nyomást gyakorolnak a környezetükre. Amikor felfújunk egy lufit, a lufi belsejében lévő légrészecskék nekinyomódnak a rugalmas oldalaknak, a lufi falai kifelé nyomódnak és szilárdan tartják. Ezt a nyomást a léggömb belső falára ütköző levegőmolekulák hozzák létre.

A kémiában általánosan használt nyomásnak három mértékegysége van. A nyomást általában egy monométer nevű eszközzel mérik, hasonlóan a meteorológusok által használt barométerhez. A monométereken a nyomást általában higanymilliméterben, rövidítve \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) mértékegységben rögzítik. A nyomást úgy határozzuk meg, mint a kifejtett erő osztva az erő kifejtett területével.

\

A légkörünkben lévő levegőmolekulák nyomást gyakorolnak minden olyan felületre, amely érintkezik a levegővel. A légkör légnyomása tengerszinten körülbelül \(15 \: \text{lbs/in}^2\). Ez a nyomás észrevétlen, mert a levegő nemcsak a felületeken kívül, hanem belül is van, így a légköri légnyomás egyensúlyban van. A légkörünk által kifejtett nyomás azonban hamar észrevehetővé válik, ha a levegőt eltávolítjuk vagy csökkentjük egy tárgy belsejében. A légnyomás gyakori szemléltetése egy egyliteres fémdobozt használ. A kannába néhány csepp vizet helyeznek, majd forrásig hevítik. A dobozban lévő víz elpárolog és kitágul, hogy megtöltse a dobozt, kiszorítva a levegőt. Ezután a fedelet szorosan lezárják a konzervdobozon. Ahogy a doboz lehűl, a benne lévő vízgőz visszasűrűsödik folyékony vízzé, így a doboz belsejében nem maradnak levegőmolekulák. Ahogy a vízgőz folyékony vízzé kondenzálódik, a dobozon kívüli légnyomás lassan összenyomja a dobozt.

Az emberekre természetesen a légköri nyomás is nyomást gyakorol. Egy átlagos méretű emberre valószínűleg összesen több mint 25 000 fontnyi erő nehezedik a légkörből. Szerencsére az emberekben van levegő is, ami ellensúlyozza ezt az erőt. A légköri nyomás mérésére szolgáló eszközt, a barométert 1643-ban találta fel egy Evangelista Torricelli (1608 – 1647) nevű olasz tudós, aki Galilei tanítványa volt. Torricelli barométere úgy készült, hogy egy egyik végén nyitott, másik végén zárt üvegcsövet megtöltött folyékony higannyal, majd a csövet egy higanyos tálba fordította.

A csőben lévő higany olyan magasságba esett, hogy a tálban lévő higany felszíne és a csőben lévő higanyoszlop teteje közötti különbség 760 milliméter volt. A csőben lévő higany fölötti üres tér térfogat vákuum volt. A magyarázat arra, hogy a higany miért marad a csőben, az, hogy a csőben lévő higany tetején nem csapkodnak levegőmolekulák. A csőben lévő higany súlya osztva a csőben lévő nyílás területével pontosan megegyezik a légköri nyomással.

A magasság, ameddig a higany tart, csak 760 milliméter lenne, amikor a légnyomás normális és a tengerszinten van. A légköri nyomás az időjárási viszonyok miatt változik, és ezzel együtt változik a barométerben lévő higany magassága is. A légköri nyomás a magassággal is változik. A nagyobb magasságban alacsonyabb a légnyomás, mert a levegő “vékonyabb” – kevesebb levegőmolekula jut egy térfogategységre. A hegyekben, 9600 láb magasságban a normál légköri nyomás csak \(520 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\) higanyoszlopot tart el.

A kémia különböző okok miatt sokféle egységet használ a gáznyomás mérésére és kifejezésére. A legtöbbet ismerned kell, hogy át tudd számolni az általad preferált mértékegységekre. Mivel a nyomás mérésére szolgáló műszerek gyakran tartalmaznak higanyoszlopot, a nyomás leggyakrabban használt mértékegységei a higanyoszlopnak a gáz által elbírható magasságán alapulnak. A gáznyomás eredeti mértékegysége a kémiában a \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) (higanymilliméter) volt. A normál légköri nyomás a tengerszinten \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Ez a mértékegység némi problémát jelent, mert bár ez egy nyomásegység, nagyon hasonlít a hosszegységre. Különösen a diákok néha kihagyják a \(\ce{Hg}\) szót, és akkor határozottan úgy tűnik, hogy ez egy hosszegység. E probléma kiküszöbölése érdekében az egységnek más nevet adtak. Torricelli tiszteletére \(\text{torr}\) lett a neve. A \(760 \: \text{torr}\) pontosan ugyanaz, mint a \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Bizonyos munkákhoz célszerűvé vált a gáznyomást a tengerszint feletti normál légköri nyomás többszörösével kifejezni, ezért bevezették a légkör \(\left( \text{atm} \right)\) egységet. A különböző nyomásegységek közötti átváltás, amit tudnod kell, a következő:

\

Ez a példa azt mutatja, hogyan lehet ezt az átváltást dimenzióelemzéssel elvégezni. Ha megjegyzi a típust, akkor egyszerűen megjegyezheti, hogy az \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) \(\text{atm}\) átváltásához 760-szal kell osztania.