Gazy rzeczywiste

Założenia prawa gazu idealnego

Prawo gazu idealnego opiera się na szeregu założeń dotyczących cząsteczek gazu.

1. Wszystkie cząsteczki gazu są w ciągłym ruchu, a zderzenia cząsteczek gazu ze ściankami pojemnika powodują ciśnienie gazu.
2. Cząsteczki są tak małe, że ich objętość jest pomijalna w porównaniu z objętością zajmowaną przez gaz.
3. Cząsteczki nie oddziałują ze sobą. Nie ma między nimi sił przyciągających ani odpychających.
4. Średnia energia kinetyczna cząsteczek gazu jest proporcjonalna do temperatury.

Pierwsze założenie jest prawdziwe w każdej temperaturze powyżej zera bezwzględnego.
Czwarte założenie jest prawdziwe dla małych cząsteczek gazu. Gdy w cząsteczce znajduje się wiele atomów, część energii wewnętrznej przechodzi w wibracje molekularne, a nie w ruch translacyjny. W bardzo dużych cząsteczkach może to być znaczna część całkowitej energii, więc KEave będzie nieco niższe niż przewiduje prawo gazu idealnego. (Wibracje molekularne omówimy bardziej szczegółowo następnym razem.)

Objętość atomowa/molekularna

W przypadku większości gazów pod ciśnieniem atmosferycznym objętość cząsteczki gazu jest naprawdę nieistotna. Spójrzmy na przykład na hel, którego promień atomowy wynosi 31 x 10-12 m.

objętość atomu helu = 4/3r3 = (4/3)(3.1415)(29791 x 10-36 m3) = 1.2 x 10-31 m3
objętość 1.0 mol atomów He = 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

Wiemy, że 1,0 mol gazu powinien zajmować 24,47 L objętości. Atomy helu zajmują 7,5 x 10-5/24,47 czyli 0,00031% objętości gazu. Dla helu pod ciśnieniem 1 atmosfery jest to doskonałe założenie.
W przypadku bardzo dużych cząsteczek gazu i przy bardzo wysokich ciśnieniach, objętość cząsteczek może stać się znacząca. Istnieje poprawka do prawa gazu idealnego, którą można zastosować w tych warunkach, uwzględniająca rzeczywistą dostępną objętość.

Oddziaływania atomowe/molekularne

Wszystkie atomy i cząsteczki w fazie gazowej mają zarówno odpychające, jak i przyciągające oddziaływania z innymi atomami i cząsteczkami. Większość objętości każdego atomu wynika z jego ujemnie naładowanej chmury elektronowej. Elektrostatyczne oddziaływanie dwóch obszarów o tym samym ładunku jest odpychające, więc kiedy dwa atomy napotykają się w fazie gazowej, ich chmury elektronowe mają tendencję do odpychania się od siebie. Oddziaływanie odpychające jest szczególnie silne, gdy gaz znajduje się pod wysokim ciśnieniem, ponieważ liczba zderzeń między cząsteczkami gazu rośnie wraz z ciśnieniem. Jak to oddziaływanie wpływa na ciśnienie? Pamiętaj, że ciśnienie wynika z siły oddziaływania cząsteczek gazu z jednostką powierzchni pojemnika. Cząsteczki gazu uderzą w ściankę pojemnika z nieco większą siłą, jeśli zostały popchnięte przez chmurę elektronową innej cząsteczki. Położenie chmury elektronowej wokół cząsteczki gazu nie jest stałe. Może ona ulegać wahaniom i w ten sposób pozostawić cząstkę z częściami częściowo dodatnimi i częściowo ujemnymi. Ujemna chmura elektronowa innego atomu w fazie gazowej byłaby elektrostatycznie przyciągana do dodatniej części pierwszej cząsteczki. Niektóre cząsteczki gazu mają trwałe dipole, obszary nadmiaru ładunku dodatniego i nadmiaru ładunku ujemnego, spowodowane wiązaniami polarnymi. Siły przyciągające pomiędzy cząsteczkami fazy gazowej nazywamy siłami van der Waalsa. W takim stopniu, w jakim cząsteczki gazu przylegają do siebie, nawet bardzo krótko, liczba cząsteczek swobodnych zmniejsza się wraz z ciśnieniem gazu.

Istnieje poprawka do prawa gazu idealnego, którą można zastosować w celu uwzględnienia niewielkich zmian ciśnienia wynikających z działania sił międzycząsteczkowych.