6.1: Teoria moleculară cinetică: Un model pentru gaze

Presiunea gazelor

Mișcarea aleatorie constantă a moleculelor de gaz le face să se ciocnească între ele și cu pereții recipientului lor. Aceste coliziuni ale moleculelor de gaz cu mediul lor înconjurător exercită o presiune asupra mediului înconjurător. Atunci când umflați un balon, particulele de aer din interiorul balonului se împing împotriva laturilor elastice, pereții balonului sunt împinși spre exterior și se mențin fermi. Această presiune este produsă de moleculele de aer care se lovesc de pereții interiori ai balonului.

Există trei unități de presiune utilizate în mod obișnuit în chimie. Presiunea este măsurată în mod obișnuit pe un dispozitiv numit monometru, asemănător barometrului pe care îl folosește un meteorolog. Presiunile din monometre sunt înregistrate de obicei în unități de milimetri de mercur, prescurtat \(\text{mm} \: \ce{Hg}\). Presiunea este definită ca fiind forța exercitată împărțită la suprafața asupra căreia se exercită forța.

\

Moleculele de aer din atmosfera noastră exercită presiune asupra fiecărei suprafețe care este în contact cu aerul. Presiunea aerului din atmosfera noastră la nivelul mării este de aproximativ \(15 \: \text{lbs/in}^2\). Această presiune trece neobservată, deoarece aerul nu se află doar în afara suprafețelor, ci și în interior, permițând astfel ca presiunea atmosferică a aerului să fie echilibrată. Cu toate acestea, presiunea exercitată de atmosfera noastră se va observa rapid dacă aerul este eliminat sau redus în interiorul unui obiect. O demonstrație obișnuită a presiunii aerului se folosește de o cutie metalică de un galon. Cutia are câteva picături de apă plasate în interior și este apoi încălzită până la fierbere. Apa din interiorul bidonului se vaporizează și se dilată pentru a umple bidonul, împingând aerul afară. Capacul este apoi închis ermetic pe cutie. Pe măsură ce cutia se răcește, vaporii de apă din interior se condensează înapoi în apă lichidă, lăsând interiorul cutiei fără molecule de aer. Pe măsură ce vaporii de apă se condensează în apă lichidă, presiunea aerului din exteriorul cutiei de conserve strivește încet cutia de conserve.

Oamenii, desigur, au și ei presiunea atmosferică care apasă asupra lor. O persoană de mărime medie are probabil o forță totală exercitată asupra ei de către atmosferă de peste 25.000 de lire sterline. Din fericire, oamenii au și aer în interiorul lor pentru a echilibra această forță. Un dispozitiv de măsurare a presiunii atmosferice, barometrul, a fost inventat în 1643 de un om de știință italian pe nume Evangelista Torricelli (1608 – 1647), care fusese elevul lui Galileo. Barometrul lui Torricelli a fost construit prin umplerea unui tub de sticlă, deschis la un capăt și închis la celălalt, cu mercur lichid și apoi prin răsturnarea tubului într-o farfurie cu mercur.

Mercurul din tub a căzut la o înălțime astfel încât diferența dintre suprafața mercurului din farfurie și partea superioară a coloanei de mercur din tub să fie de 760 de milimetri. Volumul de spațiu gol de deasupra mercurului din tub era un vid. Explicația pentru motivul pentru care mercurul rămâne în tub este că nu există molecule de aer care să lovească partea superioară a mercurului din tub. Greutatea mercurului din tub împărțită la aria deschiderii din tub este exact egală cu presiunea atmosferică.

Înălțimea la care este ținut mercurul ar fi de numai 760 de milimetri atunci când presiunea aerului este normală și la nivelul mării. Presiunea atmosferică se modifică din cauza condițiilor meteorologice și înălțimea mercurului din barometru se va modifica odată cu ea. Presiunea atmosferică variază, de asemenea, în funcție de altitudine. Altitudinile mai mari au o presiune atmosferică mai mică deoarece aerul este mai „subțire” – mai puține molecule de aer pe unitatea de volum. În munți, la o altitudine de 9600 de picioare, presiunea atmosferică normală va suporta doar o coloană de mercur de \(520 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\).

Din diverse motive, chimia are multe unități diferite pentru măsurarea și exprimarea presiunii gazelor. Va trebui să fiți familiarizat cu cele mai multe dintre ele pentru a le putea converti în unitățile preferate. Deoarece instrumentele de măsurare a presiunii conțin adesea o coloană de mercur, cele mai frecvent utilizate unități de măsură a presiunii se bazează pe înălțimea coloanei de mercur pe care o poate suporta gazul. Unitatea originală în chimie pentru presiunea gazelor era \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) (milimetri de mercur). Presiunea atmosferică standard la nivelul mării este \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Această unitate reprezintă o problemă, deoarece, deși este o unitate de presiune, seamănă foarte mult cu o unitate de lungime. Studenții, în special, omit ocazional \(\ce{Hg}\) și atunci pare să fie cu siguranță o unitate de lungime. Pentru a elimina această problemă, unitatea a primit un alt nume. A fost numită \(\text{torr}\ în onoarea lui Torricelli. \(760 \: \text{torr}\) este exact la fel ca \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Pentru anumite lucrări, a devenit convenabil să se exprime presiunea gazului în termeni de multipli ai presiunii atmosferice normale la nivelul mării și astfel a fost introdusă unitatea atmosferă \(\left( \text{atm} \right)\). Conversiile pe care trebuie să le cunoașteți între diferitele unități de presiune sunt:

\

Acest exemplu arată cum se poate efectua această conversie folosind analiza dimensională. Dacă memorați tipul, puteți memora doar că pentru a converti de la \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) la \(\text{atm}\) trebuie să împărțiți la 760.

.