6.1: Kinetische Moleculaire Theorie: A Model for Gases

Druk van gassen

De voortdurende willekeurige beweging van de gasmoleculen zorgt ervoor dat ze tegen elkaar en tegen de wanden van hun vat botsen. Deze botsingen van gasmoleculen met hun omgeving oefenen een druk uit op de omgeving. Wanneer je een ballon opblaast, duwen de luchtdeeltjes in de ballon tegen de elastische zijkanten, de wanden van de ballon worden naar buiten geduwd en stevig gehouden. Deze druk ontstaat doordat luchtmoleculen op de binnenwanden van de ballon slaan.

Er zijn drie eenheden van druk die gewoonlijk in de scheikunde worden gebruikt. De druk wordt gewoonlijk gemeten met een apparaat dat monometer wordt genoemd, vergelijkbaar met de barometer die een meteoroloog gebruikt. De druk in een monometer wordt meestal gemeten in millimeter kwik, afgekort ⅓. Druk wordt gedefinieerd als de uitgeoefende kracht gedeeld door het oppervlak waarover de kracht wordt uitgeoefend.

De luchtmoleculen in onze atmosfeer oefenen druk uit op elk oppervlak dat in contact komt met lucht. De luchtdruk van onze atmosfeer op zeeniveau is ongeveer ‛15 ‛. Deze druk wordt niet opgemerkt, omdat de lucht zich niet alleen buiten de oppervlakken bevindt, maar ook erin, waardoor de atmosferische luchtdruk in evenwicht is. De druk die door onze atmosfeer wordt uitgeoefend, zal echter snel worden opgemerkt als de lucht binnen een voorwerp wordt verwijderd of verminderd. Een veelgebruikte demonstratie van luchtdruk maakt gebruik van een metalen blik van één gallon. In het blik worden een paar druppels water gedaan en het wordt dan verwarmd tot het kookt. Het water in het blik verdampt en zet uit om het blik te vullen, waardoor de lucht eruit wordt geduwd. Het deksel wordt dan stevig op het blik verzegeld. Wanneer het blikje afkoelt, condenseert de waterdamp binnenin tot vloeibaar water, waardoor er binnenin het blikje geen luchtmoleculen meer zijn. Terwijl de waterdamp condenseert tot vloeibaar water, drukt de luchtdruk buiten het blikje het blikje langzaam plat.

Mensen hebben natuurlijk ook te maken met atmosferische druk die op hen drukt. Een persoon van gemiddelde grootte ondervindt waarschijnlijk een totale kracht van meer dan 25.000 pond van de atmosfeer op zich. Gelukkig hebben mensen ook lucht in zich om de kracht te compenseren. Een apparaat om de atmosferische druk te meten, de barometer, werd in 1643 uitgevonden door een Italiaanse wetenschapper genaamd Evangelista Torricelli (1608 – 1647) die een leerling van Galileo was geweest. Torricelli’s barometer werd geconstrueerd door een glazen buis, open aan het ene uiteinde en gesloten aan het andere, te vullen met vloeibaar kwik en vervolgens de buis om te keren in een schaal met kwik.

Het kwik in de buis zakte tot een zodanige hoogte dat het verschil tussen het oppervlak van het kwik in de schaal en de top van de kwikkolom in de buis 760 millimeter bedroeg. Het volume van de lege ruimte boven het kwik in de buis was vacuüm. De verklaring waarom het kwik in de buis blijft, is dat er geen luchtmoleculen op de bovenkant van het kwik in de buis slaan. Het gewicht van het kwik in de buis gedeeld door de oppervlakte van de opening in de buis is precies gelijk aan de atmosferische druk.

De hoogte waarop het kwik wordt gehouden zou slechts 760 millimeter zijn bij een normale luchtdruk en op zeeniveau. De atmosferische druk verandert door weersomstandigheden en de hoogte van het kwik in de barometer verandert mee. De atmosferische druk varieert ook met de hoogte. Op grotere hoogten is de luchtdruk lager omdat de lucht “dunner” is – minder luchtmoleculen per volume-eenheid. In de bergen, op een hoogte van 9600 voet, kan de normale atmosferische druk slechts een kwikkolom van 520 mm dragen. Om verschillende redenen kent de scheikunde veel verschillende eenheden om gasdruk te meten en uit te drukken. Je zult met de meeste daarvan bekend moeten zijn, zodat je ze kunt omrekenen naar de gewenste eenheden. Omdat instrumenten voor het meten van druk vaak een kwikkolom bevatten, zijn de meest gebruikte eenheden voor druk gebaseerd op de hoogte van de kwikkolom die het gas kan dragen. De oorspronkelijke eenheid voor gasdruk in de scheikunde was ⅓ (millimeter kwik). De standaard atmosferische druk op zeeniveau is 760 millimeter kwik. Deze eenheid is een beetje een probleem, want hoewel het een eenheid van druk is, lijkt het veel op een eenheid van lengte. Vooral leerlingen laten wel eens de ⅓ weg en dan lijkt het toch echt op een lengte-eenheid. Om dit probleem op te lossen, kreeg de eenheid een andere naam. Hij werd de \text{torr}\ genoemd, ter ere van Torricelli. \760 mm is precies hetzelfde als 760 mm. Voor bepaalde werkzaamheden werd het handig om de gasdruk uit te drukken in veelvouden van de normale atmosferische druk op zeeniveau en zo werd de eenheid atmosfeer \(\links( \text{atm} \rechts)\) ingevoerd. De omrekening die u moet weten tussen de verschillende drukeenheden zijn:

Dit voorbeeld laat zien hoe je deze omrekening met behulp van dimensionale analyse kunt uitvoeren. Als u het type uit uw hoofd leert, kunt u gewoon onthouden dat u voor de omrekening van \(\text{mm}}: \ce{Hg}}) naar \(\text{atm}}) moet delen door 760.