Reelle gasser

Hypoteser for loven om ideelle gasser

Loven om ideelle gasser er baseret på en række antagelser om gaspartikler.

1. Alle gaspartikler er i konstant bevægelse, og kollisioner mellem gasmolekylerne og beholderens vægge forårsager trykket i gassen.
2. Partiklerne er så små, at deres volumen er ubetydeligt i forhold til det volumen, som gassen optager.
3. Partiklerne interagerer ikke. Der er ingen tiltrækkende eller frastødende kræfter mellem dem.
4. Gaspartiklernes gennemsnitlige kinetiske energi er proportional med temperaturen.

Den første antagelse er sand ved enhver temperatur over det absolutte nulpunkt.
Den fjerde antagelse er sand for små gasmolekyler. Når der er flere atomer i et molekyle, går en del af den indre energi til molekylære vibrationer i stedet for til translationsbevægelser. I meget store molekyler kan dette være en betydelig del af den samlede energi, så KEave vil være lidt lavere end forudsagt af den ideelle gaslov. (Vi vil diskutere molekylære vibrationer mere detaljeret næste gang.)

Atomisk/molekylært volumen

For de fleste gasser ved atmosfærisk tryk er gaspartiklernes volumen i virkeligheden ubetydelig. Se f.eks. på helium med en atomradius på 31 x 10-12 m.

heliumatomets volumen = 4/3r3 = (4/3)(3,1415)(29791 x 10-36 m3) = 1,2 x 10-31 m3
volumen på 1.0 mol He-atomer = 1,2 x 10-31 m3 x 6,02 x 1023
= 7,5 x 10-8 m3 = 7,5 x 10-8 m3 x 103 L/m3 = 7,5 x 10-5 L

Vi ved, at 1,0 mol gas skal fylde 24,47 L rumfang. Heliumatomerne fylder 7,5 x 10-5/24,47 l eller 0,00031% af gassens volumen.For helium ved et tryk på 1 atmosfære er dette en udmærket antagelse.
For meget store gasmolekyler og ved meget høje tryk kan partiklernes volumen blive betydeligt. Der findes en korrektion til loven om den ideelle gas, som kan anvendes under disse forhold, og som tager højde for det faktiske volumen, der er til rådighed.

Atomers/molekylers vekselvirkninger

Alle atomer og molekyler i gasfasen har både frastødende og tiltrækkende vekselvirkninger med andre atomer og molekyler. Det meste af et atomers volumen skyldes dets negativt ladede elektronsky. Den elektrostatiske vekselvirkning mellem to områder med samme ladning er frastødende, så når to atomer møder hinanden i gasfasen, har deres elektronskyer en tendens til at skubbe dem fra hinanden. Den frastødende vekselvirkning er særlig stærk, når gassen er under højt tryk, fordi antallet af kollisioner mellem gaspartikler øges med trykket. Hvordan påvirker denne vekselvirkning trykket? Husk, at trykket skyldes gaspartiklernes kraft med et enhedsareal af beholderen. Gaspartikler vil ramme væggen af beholderen med lidt større kraft, hvis de er blevet skubbet af en anden partikels elektronsky. Elektronskyens position omkring en gaspartikel er ikke konstant. Den kan svinge og dermed efterlade partiklen med delvist positive dele og delvist negative dele. Den negative elektronsky fra et andet atom i gasfasen vil blive elektrostatisk tiltrukket af den positive del af den første partikel. Nogle gasmolekyler har permanente dipoler, områder med overskydende positiv ladning og overskydende negativ ladning, som følge af polære bindinger. De tiltrækkende kræfter mellem gasfasepartikler kaldes van der Waals-kræfter. I det omfang, gaspartiklerne hænger sammen, selv meget kortvarigt, reduceres antallet af frie partikler sammen med gastrykket.

Der findes en korrektion til den ideelle gaslov, som kan anvendes for at tage højde for de små trykændringer, der skyldes kræfterne mellem partiklerne.