6.1: Kinetic Molecular Theory: A Model for Gases

Pressure of Gases

Ciągły losowy ruch cząsteczek gazu powoduje, że zderzają się one ze sobą i ze ścianami swojego pojemnika. Te zderzenia cząsteczek gazu z otoczeniem wywierają ciśnienie na otoczenie. Kiedy nadmuchujemy balon, cząsteczki powietrza wewnątrz balonu napierają na elastyczne boki, ścianki balonu są wypychane na zewnątrz i utrzymywane w stałej pozycji. Ciśnienie to jest wytwarzane przez cząsteczki powietrza uderzające o wewnętrzne ścianki balonu.

Istnieją trzy jednostki ciśnienia powszechnie stosowane w chemii. Ciśnienie jest powszechnie mierzone na urządzeniu zwanym monometrem, podobnym do barometru, którego używa meteorolog. Ciśnienia w monometrach są zwykle zapisywane w jednostkach milimetrów rtęci, w skrócie \(\tekst{mm} \: \ce{Hg} \). Ciśnienie definiuje się jako wywieraną siłę podzieloną przez obszar, na którym ta siła jest wywierana.

Cząsteczki powietrza w naszej atmosferze wywierają ciśnienie na każdą powierzchnię, która jest w kontakcie z powietrzem. Ciśnienie powietrza w naszej atmosferze na poziomie morza wynosi w przybliżeniu \(15 \: \). Ciśnienie to jest niezauważalne, ponieważ powietrze znajduje się nie tylko na zewnątrz powierzchni, ale również wewnątrz, co pozwala na zrównoważenie ciśnienia atmosferycznego. Ciśnienie wywierane przez naszą atmosferę zostanie jednak szybko zauważone, jeśli powietrze zostanie usunięte lub zmniejszone wewnątrz obiektu. Popularna demonstracja ciśnienia powietrza wykorzystuje metalową puszkę o pojemności jednego galona. Wewnątrz puszki umieszcza się kilka kropel wody, a następnie podgrzewa się ją do wrzenia. Woda wewnątrz puszki paruje i rozszerza się wypełniając puszkę, wypychając powietrze na zewnątrz. Pokrywa jest następnie szczelnie zamknięta na puszce. Gdy puszka stygnie, para wodna wewnątrz kondensuje się z powrotem do ciekłej wody, pozostawiając wnętrze puszki z brakiem cząsteczek powietrza. As the water vapor condenses to liquid water, the air pressure outside the can slowly crushes the can flat.

People, of course also have atmospheric pressure pressing on them. Przeciętnej wielkości osoba ma prawdopodobnie całkowitą siłę wywieraną na nią z atmosfery przekraczającą 25 000 funtów. Na szczęście ludzie mają też w sobie powietrze, które równoważy tę siłę. Urządzenie do pomiaru ciśnienia atmosferycznego, barometr, został wynaleziony w 1643 roku przez włoskiego naukowca o nazwie Evangelista Torricelli (1608 – 1647), który był studentem Galileo. Torricelli’s barometr został zbudowany przez napełnianie rurki szklanej, otwarte na jednym końcu i zamknięte w innym, z ciekłej rtęci, a następnie odwrócenie rury w naczyniu z rtęcią.

Rtęć w rurze spadła do wysokości takiej, że różnica między powierzchnią rtęci w naczyniu i góry kolumny rtęci w rurze było 760 milimetrów. Objętość pustej przestrzeni nad rtęcią w probówce była próżnią. Wyjaśnienie, dlaczego rtęć pozostaje w probówce jest to, że nie ma cząsteczek powietrza uderzając na górze rtęci w probówce. Waga rtęci w probówce podzielona przez powierzchnię otworu w probówce jest dokładnie równa ciśnieniu atmosferycznemu.

Wysokość, do której rtęć jest trzymana będzie tylko 760 milimetrów, gdy ciśnienie powietrza jest normalne i na poziomie morza. Ciśnienie atmosferyczne zmienia się w zależności od warunków pogodowych, a wraz z nim zmienia się wysokość rtęci w barometrze. Ciśnienie atmosferyczne zmienia się również w zależności od wysokości. Wyższe wysokości mają niższe ciśnienie powietrza, ponieważ powietrze jest „cieńsze” – mniej cząsteczek powietrza na jednostkę objętości. W górach, na wysokości 9600 stóp, normalne ciśnienie atmosferyczne będzie wspierać tylko słup rtęci o wysokości 520 mm).

Z różnych powodów, chemia ma wiele różnych jednostek do pomiaru i wyrażania ciśnienia gazu. Będziesz musiał znać większość z nich, aby móc przeliczyć je na preferowane jednostki. Ponieważ instrumenty do pomiaru ciśnienia często zawierają kolumnę rtęci, najczęściej używane jednostki ciśnienia są oparte na wysokości słupa rtęci, że gaz może wspierać. Pierwotną jednostką w chemii dla ciśnienia gazu było \(\tekst{mm} \: \ce{Hg} \) (milimetry rtęci). Standardowe ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza wynosi 760 mm (milimetrów rtęci). Ta jednostka stanowi pewien problem, ponieważ chociaż jest to jednostka ciśnienia, wygląda bardzo podobnie do jednostki długości. Studenci, w szczególności, czasami opuszczają \(\) i wtedy zdecydowanie wydaje się, że jest to jednostka długości. Aby wyeliminować ten problem, jednostce tej nadano inną nazwę. Nazwano ją „Torricelli” na cześć Torricellego. \(760 \: \text{torr}\) jest dokładnie taka sama jak \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Na potrzeby niektórych prac wygodnie jest wyrażać ciśnienie gazu w kategoriach wielokrotności normalnego ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza i dlatego wprowadzono jednostkę atmosfery \(\left( \text{atm} \right)\). Konwersje, które musisz znać pomiędzy różnymi jednostkami ciśnienia są następujące:

Ten przykład pokazuje, jak wykonać tę konwersję za pomocą analizy wymiarowej. Jeśli zapamiętujesz typ, możesz po prostu zapamiętać, że aby przekonwertować z ∗ (∗ mm) na ∗ (∗ atm) musisz podzielić przez 760.