พฤติกรรมของแก๊สจริง

สมบัติทั่วไปของแก็ส สมบัติทั่วไปของแก็ส ได้แก่

  1. แก๊สมีรูปร่างเป็นปริมาตรไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ บรรจุ ในภาชนะใดก็จะมีรูปร่างเป็นปริมาตรตามภาชนะนั้น เช่นถ้าบรรจุในภาชนะทรงกลมขนาด 1 ลิตร แก๊สจะมีรูปร่างเป็นทรงกลมมีปริมาตร 1 ลิตร เพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค (โมเลกุล หรืออะตอม) น้อยมาก จึงทำให้อนุภาคของแก๊สสามารถเคลื่อนที่หรือแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ

2. ถ้าให้แก๊สอยู่ในภาชนะที่เปลี่ยนแปลงปริมาตรได้ ปริมาตรของแก๊สจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล ดังนั้นเมื่อบอกปริมาตรของแก๊สจะต้องบอกอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมลด้วย เช่น แก๊สออกซิเจน 1 โมลมีปริมาตร 22.4 dm3 ที่อุณหภูมิ 0 C ความดัน 1บรรยากาศ (STP)

 

3. สารที่อยู่ในสถานะแก๊สมีความหนาแน่นน้อยกว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลวและของแข็งมาก เช่น ไอน้ำ มีความหนาแน่น 0.0006 g/cm3แต่น้ำมีความแน่นถึง 0.9584 g/cm3 ที่100 C

4. แก๊สสามารถแพร่ได้ และแพร่ได้เร็วเพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าของเหลวและของแข็ง

5. แก็สต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเมื่อนำมาใส่ในภาชนะเดียวกัน แก๊สแต่ละชนิดจะแพร่ผสมกันอย่างสมบูรณ์ทุกส่วน นั้นคือส่วนผสมของแก๊สเป็นสารเดียวหรือเป็นสารละลาย (Solution)

 

6. แก๊สส่วนใหญ่ไม่มีสีและโปร่งใส่เช่นแก๊สออกซิเจน(O2)แก๊สไฮโดเจน(H2) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์(CO2)แต่แก๊สบางชนิดมีสี เช่น แก๊สไนโตเจนไดออกไซด์ (NO2) มีสีน้ำตาลแดง แก๊สคลอรีน(Cl2) มีสีเขียวแกมเหลือง แก๊สโอโซน (O3) ที่บริสุทธิ์มีสีน้ำเงินแก่ เป็นต้น

ในทางทฤษฎีได้กำหนดสมบัติของแก๊สอุดมคติไว้ว่าเป็นแก๊สที่ไม่มีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลและมีพฤติกรรมเป็นไปตามสมการสภาวะของแก๊สอุดมคติ ซึ่งสมการดังกล่าวเกิดจากแนวคิดที่ได้จากการศึกษาพฤติกรรมของแก๊ส 3 หลักการคือ

กฎของบอยล์  (Boyle’s Law)

ในปีค.ศ. 1662 Robert Boyle นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ทำการทดลองหาความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตรของแก๊ส และได้ข้อสรุปว่า ปริมาตรของแก๊สจะแปรผกผันกับความดันเมื่ออุณหภูมิของแก๊สมีค่าคงที่และสามารถเขียนเป็นสมการตามหลักการทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้

อย่างไรก็ตามกฎของบอยล์จัดเป็นกฎอุดมคติ เพราะหากบอยล์สามารถวัดความดันและปริมาตรได้อย่างละเอียด จะพบว่าแก๊สจริงมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล แต่ถ้าทดลองที่ความดันต่ำๆแก๊สจริงจะมีสมบัติใกล้เคียงกับกฎนี้ เพราะแก๊สมีความหนาแน่นน้อย โมเลกุลจะอยู่ห่างกันทำให้แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลอ่อนลง แก๊สจริงจึงมีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สอุดมคติ

กฎของชาร์ลส์ ( Chares’s Law )

                ในปีค.ศ. 1787  Jacques Charles นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้ศึกษาผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิต่อปริมาตรของแก๊สและพบว่าที่ความดันคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ดังนี้  กฎของชาร์ลส์ก็เช่นเดียวกันกับกฎของบอยล์คือ เป็นกฎที่ใช้กับแก๊สอุดมคติโดยแก๊สจะมีสมบัติใกล้เคียงกับกฎของชาร์ลส์ที่อุณหภูมิสูง กล่าวโดยสรุปคือ แก๊สจะประพฤติตัวใกล้เคียงกับกฎของบอยล์และกฎของชาร์ลส์เมื่อแก๊สนั้นอยู่ในสภาวะอุณหภูมิสูงและความดันต่ำ

กฏของเกย์–ลูสแซก

เกย์–ลูสแซกได้ทำการทดลอง โดยให้ปริมาตรของแก๊สคงที่ เพื่อที่จะหาความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอุณหภูมิ ผลที่ได้คือ ความดันของแก๊สใดจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเมื่อปริมาตรคงที่

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส ใช้อธิบายสมบัติของก๊าซ

1. แก๊สประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมาก จนถือว่าอนุภาคแก๊สไม่มีปริมาตรเมื่อเทียบกับขนาดภาชนะที่บรรจุ
2. โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกัน ทำให้แรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างโมเลกุลน้อยมาก จนถือได้ว่าไม่มีแรงกระทำต่อกัน
3. โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วในแนวเส้นตรง เป็นอิสระด้วยอัตราเร็วคงที่และไม่เป็นระเบียบจนกระทั่งชนกับโมเลกุลอื่นหรือชนกับผนังภาชนะจึงจะเปลี่ยนทิศทางและอัตราเร็ว
4. โมเลกุลของแก๊สที่ชนกันเองหรือชนกับผนังภาชนะ จะเกิดการถ่ายโอนพลังงานให้แก่กันได้แต่พลังงานรวมของระบบมีค่าคงที่
5. อุณหภูมิเดียวกัน โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วไม่เท่ากัน แต่จะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากัน โดยที่ลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

          ก๊าซที่มีสมบัติครบถ้วนตามทฤษฎีจลน์เรียกว่า ก๊าซสมบูรณ์ ซึ่งไม่มีจริง ก๊าซจริงอาจมี สมบัติใกล้เคียงกับก๊าซสมบูรณ์ได้ ถ้าอยู่ในระบบที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำ ก๊าซ ส่วนใหญ่โดยเฉพาะก๊าซเฉื่อยที่อุณหภูมิห้อง ความดัน 1 บรรยากาศ มีสมบัติใกล้เคียง กับก๊าซสมบูรณ์

ทฤษฎีจลน์อธิบายปริมาตรของก๊าซ

        สาเหตุที่ก๊าซมีปริมาตรไม่แน่นอนซึ่งขึ้นอยู่กับปริมาตรของภาชนะ เนื่องจากโมเลกุลของก๊าซมีขนาดเล็ก อยู่ห่างกัน และมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยมากจนถือว่าไม่มีเลย ดังนั้นเมื่อบรรจุก๊าซไว้ในภาชนะใดก็ตามโมเลกุลของก๊าซจะเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งภาชนะได้อย่างอิสระ ก๊าซจึงมีปริมาตรไม่แน่นอนขึ้นอยู่กับปริมาตรของภาชนะ

ทฤษฎีจลน์อธิบายความดันของก๊าซ

      เนื่องจากโมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่ตลอดเวลา ชนกันเองบ้าง ชนกับผนังภาชนะบ้าง การที่โมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่ชนผนังภาชนะตลอดเวลาทำให้เกิดแรงดัน ผลรวมของแรงดันทั้งหมดที่มีต่อหน่วยพื้นที่ก็คือความดัน

ทฤษฏีจลน์อธิบายกฏของก๊าซ

1) เมื่ออุณหภูมิึคงที่ ถ้าเราทำให้ปริมาตรของก๊าซลดลง ความดันของอากาศในภาชนะจะเพิ่มขึ้น เพราะโมเลกุลของก๊าซจะชนผนังภาชนะมากขึ้น ทำให้มีแรงดันเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม ถ้าทำให้ปริมาตรของอากาศเพิ่มขึ้น ความดันก็จะลดลง ทั้งนี้เพราะโมเลกุลของอากาศชนภาชนะด้วยความถี่น้อยลง
2) เืมื่อความดันคงที่ เหตุที่อากาศมีปริมาตรเพิ่มขึ้น เมื่อได้รับความร้อนเพราะ เมื่ออุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้น อัตราเร็วเฉลี่ยของอากาศจะเพิ่มขึ้น โมเลกุลจึงชนผนังของภาชนะบ่อยและแรง ทำให้อากาศภายในภาชนะมีแรงดันมากกว่าความดันภายนอก ( ซึ่งคงที่ ) อากาศจึงดันน้ำในภาชนะออกให้อากาศมีปริมาตรเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม เมื่ออุณหภูมิของอากาศในภาชนะลดลงจึงมีผลให้ อัตราเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลลดลงจากเดิมจึงชนได้ช้าและเบากว่าเดิม ดังนั้นความดันของอากาศในภานะจึงต่ำกว่าความดันของอากาศภายนอก ( ซึ่งคงที่ ) เป็นผลให้ความดันภายนอกดันน้ำให้เข้าไปในภาชนะทำให้อากาศในภาชนะมีปริมาตรลดลง

3) เมื่อเพิ่มอุณหภูมิ ทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่เร็วขึ้นโอกาสที่จะชนกันเอง และชนภาชนะก็จะแรงและบ่อยขึ้น เป็นผลให้ความดันมากขึ้น ( เมื่อปริมาตรยังคงเดิม )

การแพร่ของก๊ําซ

การแำพร่ของก๊าซ ( Diffusion of gases )

เป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก๊าซตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป เข้าไปในบริเวณหนึ่ง ๆ ที่มีความเข้มข้นต่างกันโดยที่โมเลกุลก๊าซแต่ละชนิดสามารถสอดแทรกผสมกลืนกัน หรืออาจชนกันระหว่างโมเลกุลของก๊าซที่เคลื่อนที่ผ่านนั้นได้ดังรูป (a)

การแพร่ผ่านของก๊าซ ( Effusion of gases )

หมายถึงกระบวนการที่ก๊าซเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งผ่านรูที่เล็กมาก ๆ ออกสู่บริเวณอื่นโดยโมเลกุลไม่ชนกันเอง ดังรูป (b)

         อัตราการแพ่ของก๊าซ คือ อัตราส่วนระหว่างระยะทางของก๊าซที่เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้น ไปยังจุดจุดหนึ่งในแนวเส้นตรงต่อเวลา

        กฏการแพร่ผ่านของแกร์ม : ที่อุณหภูมิและความดันค่าหนึ่ง อัตราการแพร่ของก๊าซจะแปรผกผันกับรากที่สองของมวลโมเลกุึลของแก๊ส

        เนื่องจากน้ำหนักโมเลกุลของแก๊สผันตรงกับความหนาแน่นจะได้

     r1 และ r2     คือ อัตราการแพร่ผ่านของแก๊สชนิดหนึ่งที่ 1 และ 2

     M1 และ M2     คือ มวลต่อโมลของแ๊ก๊สชนิดที่ 1 และ 2

     d1 และ d2     คือ มวลต่อโมลของแก๊สชนิดที่ 1 และ 2