Plyny

Pro popis plynů byly zavedeny dva modely a to ideální a reálný plyn. Pokud budeme uvažovat o ideálním plynu, musíme si nejprve nadefinovat jeho vlastnosti. Představíme-li si molekuly v prostoru jako 2 magnety, tak pokud budou dostatečně od sebe, tak se nebudou vzájemně ovlivňovat. Molekuly ideálního plynu budeme uvažovat za dokonale pružné koule, které budou sice hmotné, ale bez objemu. Představme si je tedy jako „hopsakoule“, které při hození o stěnu se nám vrátí a představují dokonale pružnou srážku.

Grafické vyjádření van der Waalsovi rovnice
zdroj:http://commons.wikimedia.org

Pro výpočet vlastností tohoto plynu se využívá stavové rovnice ideálního plynu. Kolem nás se především vyskytují plyny reálné. Proto se hledaly jiné a přesnější rovnice, které by chování reálného plynu lépe popsaly. U ideálního plynu jsme uvažovali, že se nebudou molekuly vzájemně ovlivňovat. V případě reálného plynu na sebe působí přitažlivými a odpudivými silami. Představme si molekuly reálného plynu jako vrstvy magnetů. Středové magnety se hýbat nebudou, protože síly okolních magnetů se vyrovnají. Problém nastane u magnetů, které jsou na povrchu. Ty se začnou přitahovat do středu. Uvažujeme-li například letící molekulu plynu, která naráží na stěnu nádoby, můžeme tvrdit, že čím větší bude mít rychlost, tím větším tlakem bude působit na stěnu nádoby. Pokud však tato molekula bude ovlivňována, stejně jako magnety, ostatními molekulami v objemu, tak poletí menší rychlostí a bude působit menším tlakem. Toto je prvotní představa van der Waalse, pro jeho odvození rovnice pro reálné plyny, takzvaná korekce na tlak. Nyní budeme uvažovat, že molekuly na sebe nebudou působit, ale budou mít nějaký objem.

Pro představu si vezměme skleněné kuličky, které umístíme do nádoby na jedno místo, aby zaujímaly co nejmenší objem, který se nazývá kovolum. Zbytek objemu nádoby je prostor pro pohyb molekul reálného plynu. V případě ideálního plynu by se jednalo o celý prostor nádoby, ale v případě reálného plynu je tento objem zmenšený o kovolum. Toto je druhá korekce, ale tentokrát na objem. Pokud obě korekce použijeme, získáváme van der Waalsovu rovnici pro reálný plyn. To rovnice se dnes již v praxi nepoužívá, ale je dobrou učební pomůckou pro vysvětlení chování reálného plynu. Na obrázku je ukázána její grafická podoba. Na ní si nyní ukážeme, jak to vypadá při kondenzaci neboli změně plynu na kapalinu.

Křivky v grafu se nazývají izotermy, tudíž budeme popisovat chování plynu při jedné stejné teplotě. Při nízkém tlaku plyny zaujímají veliký objem. Jsme napravo v grafu. Nyní budeme mít například pumpičku, kterou na konci utěsníme a budeme na ni tlačit stále více a více, až se tlak bude zvyšovat a objem, ve kterém se molekuly pohybují, snižovat. Tím se neustále snižuje také jejich vzdálenost. Toto se děje stále až do bodu 2 na modré křivce. Zde jsme zatlačili tak moc, až se v plynu vytvořily malé kapičky kapaliny. Pak již stačí malý tlak a plyn se změní na kapalinu. Kapalina je však prakticky nestlačitelná, ač bychom nyní tlačili nyní sebevíc, tak se již objem nebude měnit. Jestli jste četli článek pozorně, dokázali byste říci, na jaký objem můžeme až kapalinu hypoteticky stlačit? Pokud zvyšujeme teplotu plynu (křivky nad modrou křivkou), tak si můžeme povšimnout, že najednou zmizí rovnoběžná přímka s osou x. Při této teplotě a nad ní nemůžeme již plyn zkapalnit. Tato teplota se nazývá kritická a odpovídá jí i kritický objem a tlak. Dříve byly některé plyny považovány za nezkapalnitelné. Tyto plyny se nazývaly permanentními. Byl to například vodík, či helium. Dnes se zkapalňování provádí při nízkých teplotách, teplotách pod kritickou teplotou.

Bylo zmíněno, že rovnice van der Waalse se dnes již v praxi nepoužívá. Přesnější jsou rovnice Redlich Kwonga, či viriálové rozvoje. Například v petrochemickém průmyslu se využívají vícekonstantové rovnice, které velice dobře popisují chování konkrétních plynů. Bohužel není stále známa rovnice, která by byla univerzální a dobře by popisovala chování všech reálných plynů.

Proč se ale zabýváme studiem vlastností plynů. Velké množství reakcí se provádí v plynném skupenství. Proto výpočet hodnot tlaku v reaktoru je klíčový, aby nedošlo k havárii. Rovnice se také používají při různých analytických stanovení. Při stanovení specifického povrchu pevných látek se využívá adsorpce plynu na povrch studované látky. Měří se pokles tlaku plynu při adsorpci a z něho pomocí stavových rovnic se vypočítává naadsorbovaný objem.

Studování a pochopení vlastností plynů je jednou ze základních věcí každého chemika. I v běžném životě jistě každý nafukoval buď pouťový balónek nebo horské kolo a mohl se setkat s ovlivněním tlaku plynu s teplotou, například v kole nebo balónku.

Autor: Jaroslav Kocík, KocikJ@seznam.cz