6.1: Kinetisk molekylteori: En modell för gaser

Gasernas tryck

Gasmolekylernas ständiga slumpmässiga rörelse gör att de kolliderar med varandra och med väggarna i sin behållare. Dessa gasmolekylers kollisioner med sin omgivning utövar ett tryck på omgivningen. När du blåser upp en ballong trycker luftpartiklarna inuti ballongen mot de elastiska sidorna, ballongens väggar trycks utåt och hålls fast. Detta tryck produceras av luftmolekyler som slår mot ballongens innerväggar.

Det finns tre enheter för tryck som vanligen används inom kemin. Tryck mäts vanligen på en anordning som kallas monometer, som liknar den barometer som en meteorolog använder. Tryck i monometrar registreras vanligtvis i enheter av millimeter kvicksilver, förkortat \(\text{mm} \: \ce{Hg}\). Tryck definieras som den kraft som utövas dividerat med den yta över vilken kraften utövas.

\

Luftmolekylerna i vår atmosfär utövar tryck på varje yta som är i kontakt med luft. Lufttrycket i vår atmosfär på havsnivå är ungefär \(15 \: \text{lbs/in}^2\). Detta tryck är obemärkt, eftersom luften inte bara finns utanför ytorna utan också inuti, vilket gör att det atmosfäriska lufttrycket är balanserat. Det tryck som utövas av vår atmosfär kommer dock snabbt att märkas om luften avlägsnas eller minskas inuti ett föremål. En vanlig demonstration av lufttrycket sker med hjälp av en metallburk på en gallon. Burken har några droppar vatten placerade inuti och värms sedan upp till kokning. Vattnet i burken förångas och expanderar för att fylla burken och trycka ut luften. Locket försluts sedan tätt på burken. När burken svalnar kondenserar vattenångan inuti till flytande vatten och lämnar burkens insida utan luftmolekyler. När vattenångan kondenserar till flytande vatten krossar lufttrycket utanför burken långsamt burken platt.

Människor har naturligtvis också det atmosfäriska trycket som trycker på dem. En medelstor person har förmodligen en total kraft som utövas på honom från atmosfären på över 25 000 pund. Lyckligtvis har människor också luft inom sig för att balansera kraften. En anordning för att mäta det atmosfäriska trycket, barometern, uppfanns 1643 av en italiensk vetenskapsman vid namn Evangelista Torricelli (1608 – 1647), som hade varit elev till Galileo. Torricellis barometer konstruerades genom att fylla ett glasrör, öppet i ena änden och stängt i den andra, med flytande kvicksilver och sedan vända röret i en skål med kvicksilver.

Kvicksilvret i röret föll till en sådan höjd att skillnaden mellan kvicksilverytan i skålen och toppen av kvicksilverkolonnen i röret var 760 millimeter. Volymen av tomt utrymme ovanför kvicksilvret i röret var ett vakuum. Förklaringen till varför kvicksilvret stannar kvar i röret är att det inte finns några luftmolekyler som slår mot toppen av kvicksilvret i röret. Vikten av kvicksilvret i röret dividerat med arean av öppningen i röret är exakt lika med det atmosfäriska trycket.

Höjden som kvicksilvret hålls till skulle bara vara 760 millimeter när lufttrycket är normalt och på havsnivå. Det atmosfäriska trycket förändras på grund av väderförhållanden och höjden på kvicksilvret i barometern kommer att förändras med det. Det atmosfäriska trycket varierar också med höjden. Högre höjder har lägre lufttryck eftersom luften är ”tunnare” – färre luftmolekyler per volymenhet. I bergen, på en höjd av 9600 fot, kommer det normala atmosfäriska trycket endast att stödja en kvicksilverkolonn på \(520 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\).

Av olika anledningar har kemin många olika enheter för att mäta och uttrycka gastryck. Du måste känna till de flesta av dem så att du kan omvandla dem till föredragna enheter. Eftersom instrument för att mäta tryck ofta innehåller en kvicksilverkolonn är de vanligaste enheterna för tryck baserade på höjden på kvicksilverkolonnen som gasen kan bära. Den ursprungliga enheten inom kemin för gastryck var \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) (millimeter kvicksilver). Det normala atmosfäriska trycket på havsnivå är \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Denna enhet är något av ett problem eftersom den, trots att den är en tryckenhet, ser mycket ut som en längdenhet. Särskilt eleverna låter ibland \(\ce{Hg}\) stå och då ser det definitivt ut att vara en längdenhet. För att undanröja detta problem gavs enheten ett annat namn. Den kallades \(\text{torr}\) till Torricellis ära. \(760 \: \text{torr}\) är exakt samma som \(760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). För vissa arbeten blev det bekvämt att uttrycka gastrycket i multiplar av det normala atmosfäriska trycket på havsnivå och därför infördes enheten atmosfär \(\left( \text{atm} \right)\). De omräkningar du behöver känna till mellan olika tryckenheter är:

\

Detta exempel visar hur man kan utföra denna konvertering med hjälp av dimensionsanalys. Om du memorerar typ kan du bara memorera att för att konvertera från \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) till \(\text{atm}\) måste du dividera med 760.