8.3: Gázok és nyomás

A gázfázis egyedülálló az anyag három halmazállapota között, mivel van néhány egyszerű modell, amellyel minden gáz fizikai viselkedését meg tudjuk jósolni – függetlenül azok azonosságától. A szilárd és folyékony halmazállapotok esetében ezt nem tudjuk megtenni. Valójában a gázok viselkedésének e megértése jelenti a történelmi választóvonalat az alkímia és a modern kémia között. A gázok viselkedésének megértésében a kezdeti előrelépéseket az 1600-as évek közepén Robert Boyle angol tudós tette, aki megalapította a Royal Society-t (a világ egyik legrégebbi tudományos szervezetét).

Hogyan lehetséges, hogy minden gázt a kémiai identitásától függetlenül modellezni tudunk? A válasz a gázok kinetikai elméletének nevezett állításcsoportban rejlik:

• A gázok apró részecskékből állnak, amelyeket nagy távolságok választanak el egymástól.
• A gázrészecskék folyamatosan mozgásban vannak, ütköznek más gázrészecskékkel és a tartályuk falával.
• A gázrészecskék sebessége összefügg a gáz hőmérsékletével.
• A gázrészecskék nem tapasztalnak egymással semmilyen vonzó vagy taszító erőt.

Észrevetted, hogy ezen állítások egyike sem kapcsolódik a gáz azonosságához? Ez azt jelenti, hogy minden gáznak hasonlóan kell viselkednie. Azt a gázt, amely tökéletesen követi ezeket az állításokat, ideális gáznak nevezzük. A legtöbb gáz enyhe eltérést mutat ezektől az állításoktól, ezért valódi gázoknak nevezzük őket. A valódi gázok létezése azonban nem csökkenti a gázok kinetikai elméletének fontosságát.

A kinetikai elmélet egyik állítása említi az ütközéseket. Mivel a gázrészecskék folyamatosan mozognak, folyamatosan ütköznek egymással és a tartályuk falával is. Erők lépnek fel, mivel a gázrészecskék visszapattannak a tartály faláról (\(\PageIndex{1}\) ábra). A gázrészecskék által keltett erő és a tartály falának területe osztva adja a nyomást. A nyomás olyan tulajdonság, amelyet a gázok esetében mérni tudunk, de a szilárd vagy folyékony anyagok esetében általában nem vesszük figyelembe a nyomást.

A nyomás alapegysége a newton per négyzetméter (N/m2). Ezt a kombinált egységet pascal (Pa) néven definiálják újra. Egy pascal nem túl nagy nyomás. A nyomás hasznosabb mértékegysége a bar, amely 100 000 Pa (1 bar = 100 000 Pa). Más elterjedt nyomásegységek az atmoszféra (atm), amelyet eredetileg a földi légkör átlagos nyomásaként határoztak meg a tengerszinten; és a mmHg (milliméter higany), amely az 1 mm magas higanyoszlop által keltett nyomás. A higanymilliméter egységet torrnak is nevezik, nevét Evangelista Torricelli olasz tudósról kapta, aki az 1600-as évek közepén feltalálta a barométert. A légkör pontosabb meghatározása torrban kifejezve az, hogy 1 atm-ban pontosan 760 torr van. Egy bar 1,01325 atm-nak felel meg. Tekintettel a nyomásegységek közötti összefüggésekre, az egyik nyomásegységről a másikra való átváltás képessége hasznos készség.

A kinetikai elmélet is azt állítja, hogy az egyes gázrészecskék között nincs kölcsönhatás. Bár tudjuk, hogy a valódi gázokban valójában vannak molekulák közötti kölcsönhatások, a kinetikai elmélet feltételezi, hogy a gázrészecskék olyan távol vannak egymástól, hogy az egyes részecskék nem “érzik” egymást. Így a gázrészecskéket olyan apró anyagdarabkáknak tekinthetjük, amelyek azonossága nem fontos bizonyos fizikai tulajdonságok szempontjából.