Reella gaser

Antaganden om lagen om ideala gaser

Lagen om ideala gaser bygger på en rad antaganden om gaspartiklar.

1. Alla gaspartiklar är i ständig rörelse och kollisioner mellan gasmolekylerna och behållarens väggar orsakar gasens tryck.
2. Partiklarna är så små att deras volym är försumbar jämfört med den volym som gasen upptar.
3. Partiklarna interagerar inte. Det finns inga attraktiva eller repulsiva krafter mellan dem.
4. Gaspartiklarnas genomsnittliga rörelseenergi är proportionell mot temperaturen.

Det första antagandet är sant vid alla temperaturer över den absoluta nollpunkten.
Det fjärde antagandet är sant för små gasmolekyler. När det finns flera atomer i en molekyl går en del av den inre energin till molekylära vibrationer snarare än till translationsrörelse. I mycket stora molekyler kan detta vara en betydande del av den totala energin, så KEave skulle vara lite lägre än vad som förutsägs av den ideala gaslagen. (Vi kommer att diskutera molekylära vibrationer mer ingående nästa gång.)

Atomisk/molekylär volym

För de flesta gaser vid atmosfäriskt tryck är gaspartiklarnas volym verkligen obetydlig. Titta till exempel på helium med en atomradie på 31 x 10-12 m.

heliumatomens volym = 4/3r3 = (4/3)(3,1415)(29791 x 10-36 m3) = 1,2 x 10-31 m3
volym 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 vet att 1,0 mol gas ska uppta 24,47 L volym. Heliumatomerna upptar 7,5 x 10-5/24,47 eller 0,00031 % av gasens volym.För helium vid 1 atmosfärs tryck är detta ett utmärkt antagande.
För mycket stora gasmolekyler och vid mycket höga tryck kan partiklarnas volym bli betydande. Det finns en korrigering av lagen för ideala gaser som kan tillämpas under dessa förhållanden och som tar hänsyn till den faktiska tillgängliga volymen.

Atomers/molekylers växelverkan

Alla atomer och molekyler i gasfasen har både avstötande och tilldragande växelverkan med andra atomer och molekyler. Den största delen av volymen hos en atom beror på dess negativt laddade elektronmoln. Den elektrostatiska interaktionen mellan två områden med samma laddning är repulsiv, så när två atomer möter varandra i gasfasen tenderar deras elektronmoln att trycka isär dem. Den repulsiva växelverkan är särskilt stark när gasen är under högt tryck eftersom antalet kollisioner mellan gaspartiklar ökar med trycket. Hur påverkar denna växelverkan trycket? Kom ihåg att trycket beror på gaspartiklarnas kraft med en areaenhet av behållaren. Gaspartiklar kommer att träffa behållarens vägg med lite större kraft om de har blivit knuffade av elektronmolnet från en annan partikel. Positionen för ett elektronmoln runt en gaspartikel är inte konstant. Den kan fluktuera och på så sätt lämna partikeln med delvis positiva delar och delvis negativa delar. Det negativa elektronmolnet från en annan atom i gasfas skulle bli elektrostatiskt attraherat av den positiva delen av den första partikeln. Vissa gasmolekyler har permanenta dipoler, områden med överskott av positiv laddning och överskott av negativ laddning, på grund av polära bindningar. De attraktiva krafterna mellan gasfaspartiklar kallas van der Waals-krafter. I den mån gaspartiklarna håller ihop, även mycket kortvarigt, minskar antalet fria partiklar tillsammans med gastrycket.

Det finns en korrigering av den ideala gaslagen som kan tillämpas för att ta hänsyn till de små tryckförändringar som beror på krafterna mellan partiklarna.