Воздушные шарики, шины и баллоны для аквалангов: чудесный мир газов
Везде и всюду нас окружают газы. Поскольку в основном они бесцветны, мы их не можем увидеть, однако их свойства, безусловно, хорошо всем знакомы. Мы дышим смесью газов, которую называем воздухом. Проверяем давление в шинах автомобиля и, наблюдая за изменением атмосферного давления, узнаем, не приближается ли буря. Сжигаем газы в газовой плите и обычных зажигалках. В день рождения детей надуваем воздушные шарики…
Очень важную роль играют свойства и состав газов. Достаточное ли давление в шинах? Насколько большим будет этот воздушный шарик? Достаточно ли воздуха в баллонах для аквалангов? Этот список можно продолжить.
В этой главе газы рассматриваются как на микро-, так и на макроуровне. Вашему вниманию предлагается одна из самых известных научных теорий — молекулярно-кинетическая теория газов. Кроме того, здесь идет речь о свойствах газов и некоторых важных взаимоотношениях между газами. И еще вы узнаете, как эти свойства используются в стехиометрии реакции. Эта глава — действительно нечто потрясающее!
Газ «под микроскопом»: молекулярно-кинетическая теория
Теория полезна для ученых, если описывает изучаемую ими физическую систему и позволяет предсказать, что произойдет при изменении какого-либо параметра этой системы. Это как раз относится к молекулярно-кинетической теории газов. Как и всякая теория, она имеет определенные ограничения, тем не менее является одной из самых полезных химических теорий. В данном разделе рассматриваются некоторые ее основные постулаты — положения, гипотезы, аксиомы (выберите любимое слово).
S Постулат 1. Газы состоят из огромного количества частиц — молекул или атомов.
Если температуры не очень высокие, то частицы вещества, которое называется газом, обычно имеют сравнительно малый размер. Более массивные частицы объединяются в группы и образуют жидкости или даже твердые вещества. Таким образом, частицы газов имеют малый размер и сравнительно небольшую атомную или молекулярную массу.
S Постулат 2. Размер частиц газов по сравнению с расстояниями между ними настолько мал, что объем самих этих частиц пренебрежимо мал и считается равным нулю.
Частицы газа все-таки занимают некоторый объем — это одно из свойств вещества. Однако если эти частицы достаточно малы (а так оно и есть), а кроме того, внутри сосуда их не очень много, то можно сказать, что их объем пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда или размеры частиц пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними. Этим объясняется, почему газы легко поддаются сжатию. Поскольку между частицами газа довольно большое пространство, их можно теснее «прижимать» друг к другу. Это не относится к твердым телам и жидкостям, частицы которых расположены друг к другу намного ближе. (Более подробно об агрегатных состояниях вещества, а также о различиях между твердыми телами, жидкостями и газами, речь идет в главе 2, «Вещество и энергия».)
В химии часто используется такое понятие, как пренебрежимо малое количество. Например, в главе 12, «Кислое и горькое: кислоты и основания», оно использовалось при вычислении константы диссоциации Ka для слабой кислоты. В этом случае по сравнению с величиной начальной концентрации слабой кислоты, концентрацией той ее части, которая распалась на ионы (т.е. продис-социировала), можно пренебречь.
Уяснить суть понятия пренебрежимо малое количество можно на следующем примере. Допустим, вы нашли на улице один доллар. Если в ваших карманах совсем пусто, то один доллар будет представлять для вас немалую ценность (например, на него можно купить что-нибудь поесть). Если же вы мультимиллионер, то найденный доллар для вас ничего не значит. Это просто клочок бумаги, который вы, скорее всего, даже не подберете. (Себя я уж точно не могу представить таким богатым!) В данном случае его ценность пренебрежимо мала по сравнению с вашим капиталом. Это сравнение также отлично подходит, когда речь идет об объеме частиц газа. Конечно, каждая частица имеет определенный объем, но он настолько мал, что по сравнению с объемом сосуда будет совсем незначительным, как и размеры этих частиц по сравнению с расстоянием между ними.
S Постулат 3. Частицы газа находятся в постоянном движении, перемещаясь по прямым линиям в произвольном направлении и сталкиваясь с внутренними стенками сосуда, в котором находятся.
Частицы газа всегда находятся в прямолинейном движении. (Как отмечается в главе 2, » Вещество и энергия», газы по сравнению с твердыми телами и жидкостями имеют более высокую кинетическую энергию — энергию движения.) Частицы газа движутся по прямым линиям до тех пор, пока не столкнутся с чем-нибудь: или друг с другом, или с внутренними стенками сосуда, в котором находятся. Кроме того, все частицы движутся в разных направлениях, поэтому их столкновения со стенками сосуда, как правило, являются равномерными по всей его внутренней поверхности. Это можно наблюдать, надувая
воздушный шарик. Он имеет сферическую форму, потому что частицы газа одинаково ударяют по всем точкам внутренней поверхности шарика. Столкновение частиц газа с внутренними стенками сосуда называется давлением. Положение о том, что частицы газа находятся в постоянном, произвольном и прямолинейном движении, объясняет, почему газы, помещенные в один и тот же сосуд, образуют однородную смесь. Кроме того, на основе этого положения можно объяснить, почему, например, когда вы уроните пузырек с дешевыми духами в одном конце комнаты, их запах моментально распространится по всему помещению.
S Постулат 4. Предполагается, что силы взаимного притяжения и отталкивания частиц газа пренебрежимо малы.
Другими словами, предполагается, что частицы газа являются абсолютно независимыми, т. е. не притягиваются и не отталкиваются друг от друга. Учитывать это притяжение и отталкивание — только зря тратить время. На самом деле это не соответствует действительности; в противном случае химики не смогли бы переводить газы в жидкое состояние, а они делают это весьма успешно. Данный постулат можно принять по следующей причине: силы притяжения и отталкивания настолько малы, что ими вполне можно пренебречь. В наибольшей степени он справедлив для неполярных газов, таких, как водород и азот, поскольку между молекулами этих газов возникают незначительные силы межмолекулярного взаимодействия — силы Лондона. Однако если молекулы газов полярные, как, например, у воды или HCl, с этим постулатом могут быть связаны некоторые осложнения. (Обратитесь к главе 7, «Ковалент-ные связи: поделимся по-братски», чтобы получить дополнительную информацию о силах Лондона и полярных связях, т.е. обо всем, что относится к притяжению между молекулами.)
S Постулат 5. Частицы газа могут сталкиваться друг с другом. Предполагается, что эти столкновения являются упругими, т.е. общая кинетическая энергия двух частиц газа одинакова.
Частицы газа сталкиваются не только с внутренними стенками сосуда, в котором находятся, но и друг с другом. При таком столкновении кинетическая энергия может быть передана от одной частицы газа к другой. Например, рассмотрим столкновение двух частиц, одна из которых движется быстро, а другая — медленно. При столкновении кинетическая энергия передается от более быстрой частицы к более медленной. Скорость частицы, которая двигалась медленно, после столкновения с более быстрой частицей увеличилась. А скорость частицы, которая двигалась быстро, после столкновения с медленной частицей уменьшилась. При этом общее количество кинетической энергии остается неизменным, но одна частица газа теряет энергию, а другая — получает. Этот принцип лежит в основе игры в бильярд: вы передаете кинетическую энергию от движущегося кия шару, а тот, в свою очередь, передает энергию другому шару, на который вы нацелились.
S Постулат 6. Температура по шкале Кельвина прямо пропорциональна средней кинетической энергии частиц газа.
Не все частицы газа движутся с одной и той же кинетической энергией. Некоторые из них движутся очень медленно, а некоторые — намного быстрее, но скорости большинства частиц находятся где-то посередине между минимальным и максимальным значениями. Температура, в частности выраженная
в градусах Кельвина, прямо связана со средней кинетической энергий газа. При нагревании температура газа будет повышаться, а вместе с ней и средняя кинетическая энергия газа. (Чтобы вычислить температуру в градусах Кельвина, нужно к температуре в градусах Цельсия прибавить 273: K = °C + 273. Более подробно температурные шкалы и средняя кинетическая энергия рассматриваются в главе 2, «Вещество и энергия».)
Газ, для которого справедливы все постулаты молекулярно-кинетической теории, называется идеальным. Очевидно, допущения, сделанные в постулатах 2 и 4, не выполняются в точности ни для одного реального газа. Впрочем, при высокой температуре и низком давлении (т.е. с низкой концентрацией) неполярный газ ведет себя примерно так, как идеальный.