Verkliga gaser: avvikelse från idealitet

Verkliga gaser: avvikelse från idealitet
Verkliga gaser: avvikelse från idealitet
Anonim

Begreppet "riktiga gaser" bland kemister och fysiker används för att kalla sådana gaser, vars egenskaper mest direkt beror på deras intermolekylära interaktion. Även om man i någon specialiserad uppslagsbok kan läsa att en mol av dessa ämnen under normala förhållanden och steady state upptar en volym på cirka 22,41108 liter. Ett sådant uttalande är endast sant för de så kallade "ideala" gaserna, för vilka, i enlighet med Clapeyrons ekvation, krafterna för ömsesidig attraktion och repulsion av molekyler inte verkar, och volymen som upptas av de senare är ett försumbart värde.

riktiga gaser
riktiga gaser

Sådana ämnen finns naturligtvis inte i naturen, så alla dessa argument och beräkningar är rent teoretiska. Men verkliga gaser, som i en eller annan grad avviker från idealitetens lagar, finns hela tiden. Mellan molekylerna av sådana ämnen finns det alltid krafter av ömsesidig attraktion, vilket innebär att deras volym är något annorlunda änhärledd perfekt modell. Dessutom har alla verkliga gaser olika grader av avvikelse från idealitet.

Men det finns en mycket tydlig trend här: ju mer kokpunkten för ett ämne är nära noll grader Celsius, desto mer kommer denna förening att skilja sig från den ideala modellen. Statsekvationen för en riktig gas, ägd av den holländska fysikern Johannes Diederik van der Waals, härleddes av honom 1873. Denna formel, som har formen (p + n2a/V2) (V – nb)=nRT, har jämförts med Clapeyrons ekvation (pV=nRT), bestämd experimentellt. Den första av dessa tar hänsyn till krafterna av molekylär interaktion, som påverkas inte bara av typen av gas, utan också av dess volym, densitet och tryck. Det andra tillägget bestämmer molekylvikten för ett ämne.

Ekvation för tillstånd för verklig gas
Ekvation för tillstånd för verklig gas

Dessa justeringar får den viktigaste rollen vid högt gastryck. Till exempel för kväve vid en indikator på 80 atm. beräkningar kommer att skilja sig från ideal med cirka fem procent, och med en ökning av trycket till fyra hundra atmosfärer kommer skillnaden redan att nå hundra procent. Härav följer att lagarna för en idealgasmodell är mycket ungefärliga. Avvikelsen från dem är både kvantitativ och kvalitativ. Den första manifesteras i det faktum att Clapeyron-ekvationen observeras för alla verkliga gasformiga ämnen mycket ungefär. Kvalitativa avvikelser är mycket djupare.

Riktiga gaser kan mycket väl konverteras ochtill en vätska och till ett fast aggregationstillstånd, vilket skulle vara omöjligt om de strikt följde Clapeyrons ekvation. Intermolekylära krafter som verkar på sådana ämnen leder till bildandet av olika kemiska föreningar. Återigen, detta är inte möjligt i ett teoretiskt idealgassystem. Bindningarna som bildas på detta sätt kallas kemiska eller valensbindningar. I fallet när en riktig gas joniseras börjar Coulomb-attraktionskrafterna uppträda i den, som bestämmer beteendet, till exempel hos en plasma, som är en kvasinuutral joniserad substans. Detta är särskilt relevant i ljuset av det faktum att plasmafysik idag är en enorm, snabbt växande vetenskaplig disciplin, som har en extremt bred tillämpning inom astrofysik, teorin om radiovågssignalutbredning och problemet med kontrollerade kärn- och termonukleära reaktioner.

Riktiga gasisotermer
Riktiga gasisotermer

Kemiska bindningar i verkliga gaser skiljer sig praktiskt taget inte från molekylära krafter till sin natur. Både de och andra är i stort sett reducerade till den elektriska interaktionen mellan elementära laddningar, från vilken hela materiens atomära och molekylära struktur är uppbyggd. Men en fullständig förståelse av molekylära och kemiska krafter blev möjlig först med tillkomsten av kvantmekaniken.

Det är värt att inse att inte alla materiatillstånd som är förenliga med den holländska fysikerns ekvation kan implementeras i praktiken. Detta kräver också faktorn för deras termodynamiska stabilitet. En av de viktiga förutsättningarna för sådan stabilitet hos ett ämne är att iI den isotermiska tryckekvationen måste en tendens till en minskning av kroppens totala volym strikt observeras. Med andra ord, när värdet på V ökar, måste alla isotermer av den verkliga gasen sjunka stadigt. Samtidigt observeras stigande sektioner under det kritiska temperaturmärket på de isotermiska områdena van der Waals. Punkter som ligger i sådana zoner motsvarar ett instabilt materiatillstånd som inte kan realiseras i praktiken.

Rekommenderad: