Vi er omgivet af gasser, men er ofte ikke opmærksomme på deres tilstedeværelse. Ud af alle grundstofferne i det periodiske system, eksisterer kun nogle få som gasser ved stuetemperatur: H2, N2, O2, F2, Cl2, og ædelgasserne. En anden gruppe af gasser, inkluderer oxiderne fra ikke-metallerne i øverste hjørne af det periodiske system, så som CO, CO2, NO, NO2, SO2, og SO3. Organiske forbindelser som for eksempel metan, ethan, propan og butan, der har lave molmasser, er også gasser ved stuetemperatur. Generelt kan det siges, at molekyler der er gasser ved stuetemperatur, har mindre end fem atomer fra den første eller anden periode.
Gassers opførsel, er ganske anderledes i forhold til flydende og faste stoffer. Gaspartikler er langt fra hinanden, hvor partiklerne i både flydende og faste stoffer, holdes tæt sammen. Fordi der er store afstande, har en gas ikke en definitiv form eller volumen, og vil fuldstændig fylde enhver beholder. Fordi der er store afstande mellem gaspartiklerne, er en gas mindre tæt end et flydende eller fast stof, og de er lette at presse sammen. En model for gassers opførsel, kaldes kinetisk-molekylær gasteori eller bare kinetisk gasteori, og den hjælper os med at forstå gassernes opførsel.
Kinetisk-molekylær gasteori
1. En gas består af små partikler (atomer eller molekyler), som bevæger sig tilfældigt med høje hastigheder. Gasmolekyler som bevæger sig i tilfældige retninger ved høje hastigheder, resulterer i, at gassen fylder hele beholderens volumen.
2. De tiltrækkende kræfter mellem partiklerne i en gas, er sædvanligvis meget svare. Gaspartikler er langt fra hinanden, og fylder en beholder af en hvilken som helst størrelse og form.
3. Den faktiske volumen som gasmolekylerne optager, er ekstrem lille, sammenlignet med volumen som gassen optager. Volumen af gassen betragtes som lig med volumen af beholderen. Det meste af volumen af en gas, er tomrum, der tillader at gasser let komprimeres.
4. Gaspartikler er i konstant bevægelse, og bevæger sig hurtigt i lige linjer. Når gaspartikler kolliderer, bliver de reflekteret og bevæger sig i nye retninger. Hver gang de rammer væggen på beholderen, udøver de et tryk. Øgning af antallet eller kraften af kollisionerne mod væggene på beholderen, resulterer i en stigning af gassens tryk.
5. Den gennemsnitlige kinetiske energi for en gaspartikel, er proportional med temperaturen i kelvin. Gaspartikler bevæger sig hurtigere som temperaturen stiger. Ved højere temperaturer, rammer gaspartiklerne beholderens vægge oftere og med mere kraft, hvilket danner et højere tryk.
Den kinetisk-molekylære gasteori, hjælper med at forklare nogle af gassers karakteristika. For eksempel, kan vi lugte parfume når en flaske bliver åbnet i den anden ende af rummet, fordi dens partikler bevæger sig hurtigt i alle retninger. Ved stuetemperatur, bevæger molekylerne i luften sig, med omkring 450 m/s. Ved højere temperaturer, bevæger de sig hurtigere, og ved lavere temperaturer langsommere. Nogle gange, eksploderer gasfyldte dæk eller beholdere, når temperaturen bliver for høj. Fra kinetisk-molekylære gasteori ved vi, at gaspartikler bevæger sig hurtigere når de opvarmes, rammer beholderens vægge med større kraft, og forårsager opbygning af tryk, inde i beholderen.
Konceptforståelse 11.1 |
Gassers egenskaberBrug den kinetisk-molekylære gasteori til, at forklare hvorfor en gas fuldstændig fylder en beholder af enhver størrelse og form. SvarGaspartikler bevæger sig med høje hastigheder, i tilfældige retninger, og bevæger sig så langt fra hinanden som muligt, indtil de rammer en væg i beholderen. Derfor fylder gaspartiklerne en beholder af enhver størrelse og form, fuldstændigt. |
Når vi taler om en gas, beskriver vi det i form af fire forskellige egenskaber: tryk, volumen, temperatur, og mængde af gas.
Tryk (P)
Gaspartikler er ekstremt små og bevæger sig hurtigt. Når de rammer væggene af en beholder, udøver de et tryk (se figur 11.1). Hvis vi opvarmer beholderen, bevæger molekylerne sig hurtigere og rammer væggene af beholderen oftere og med øget kraft, og øger dermed trykket. Gaspartiklerne i luften, hovedsageligt oxygen og nitrogen, udøver et tryk på os, kaldet atmosfærisk tryk (se figur 11.2). hvis du bevæger dig til større højder, er det atmosfæriske tryk mindre, fordi der er færre partikler i luften. Den mest almindelige enhed brugt til at måle gassers tryk, er atmosfære (atm) og millimeter kviksølv (mmHg). I fjernsynet, hører eller ser du ofte, det atmosfæriske tryk, angivet i kilopascal.
Volumen (V)
Volumen af en gas, er lig med størrelsen af den beholder, som gassen befinder sig i. Når du pumper et dæk eller en bold, tilfører du flere gaspartikler. Det øgede antal gaspartikler, øger også antallet af partikler, som rammer væggene i dækket eller bolden, og øger deres volumen. Nogle gange, kan du på en kold morgen se, at et dæk ser lidt fladt ud. Dækkets volumen er blevet mindre, fordi en lavere temperatur også sænker molekylernes bevægelseshastighed, hvilket resulterer i en sænkning af deres kraft, som de påvirker dækkets vægge med. Den mest almindelige enhed for volumen, er liter (L) og milliliter (mL).
Temperatur (T)
Temperaturen på en gas, er relateret til den kinetiske energi for dens partikler. For eksempel, hvis vi har en gas ved en temperatur på 200 K i en stiv beholder, og opvarmer den til 400 K, vil gassens partikler besidde dobbelt så meget kinetisk energi, end de havde ved 200 K. Dette betyder også, at gassen ved 400 K, udøver et tryk, der er dobbelt så stort som den gjorde ved 200 K. Selvom du måler temperaturen for en gas med et termometer i Celsius, skal du bruge kelvin temperaturskalaen, ved alle sammenligninger af gassers opførsel, og beregninger relateret til temperatur. Der er endnu ingen der har opnået betingelserne for det absolutte nulpunkt (0 K), men vi kan forudsige, at partiklerne vil besidde nul kinetisk energi, og dermed udøve nul tryk ved 0 K.
Mængde af gas (n)
Når du pumper et cykeldæk, øger du mængden af gas, hvilket resulterer i et højere tryk i dækket. Normalt måler vi mængden af gas ved dens masse (gram). I beregninger med gasloven, er det nødvendigt at konverterer gram gas til mol gas.
En opsummering af de fire egenskaber for en given gas, kan ses i tabel 11.1.
Opgaveeksempel 11.1 |
Gassers egenskaberAngiv den egenskab for en gas der er beskrevet af hver af følgende: a. øger den kinetiske energi for en gas Løsninga. temperatur b. tryk c. volumen |