Khí lý tưởng là gì?
Các phân tử khí gần như toàn là khoảng trống, và khí lý tưởng là một hư cấu dễ chịu coi điều đó theo nghĩa đen: các hạt điểm không có thể tích riêng và không có lực hút giữa chúng, va chạm hoàn toàn đàn hồi. Với hầu hết các khí gần điều kiện phòng, hư cấu này đúng đến một phần trăm, và nó cho ta một phương trình gọn — PV = nRT — liên hệ áp suất, thể tích, lượng chất và nhiệt độ bằng một hằng số R. Mọi định luật khí được đặt tên trên trang này đều là phương trình đó với một đại lượng được giữ cố định.
Quy tắc duy nhất cần nhớ: nhiệt độ trong các phép tính khí phải là kelvin. T(kelvin) tỷ lệ với động năng trung bình của các phân tử, và 0 °C không phải là “không có nhiệt” — thay độ C vào định luật Charles hay Gay-Lussac và kết quả sẽ vô nghĩa mà không báo lỗi.
Một phương trình, ba bóng
Giữ nhiệt độ cố định trong PV = nRT thì PV không đổi — đó là định luật Boyle: nén khí xuống một nửa thể tích thì áp suất tăng gấp đôi (mẫu: 1 atm·2 L → 2 atm cho 1 L). Giữ áp suất cố định thì V ∝ T — định luật Charles: đun 2 L từ 0 °C đến 100 °C (273 K đến 373 K) thì nó nở ra thành 2,73 L. Giữ thể tích cố định thì P ∝ T — định luật Gay-Lussac: lý do bình xịt kín cảnh báo không được đốt. Không có biến nào là bắt buộc để trống: mỗi khung ở đây giải cho đại lượng bạn để trống, còn định luật tổng hợp P1V1/T1 = P2V2/T2 thực hiện cả ba thay đổi cùng lúc.
STP và mol 22,4 lít
Ở STP — 0 °C và 1 atm — một mol bất kỳ khí lý tưởng nào chiếm 22,414 L, một con số đáng để nhớ vì nó chuyển trực tiếp giữa mol và thể tích. Mẫu Khí lý tưởng tái tạo đúng con số này: 1 mol ở 1 atm và 0 °C cho V = 22,414 L. Các nhà hóa học cũng dùng NTP (25 °C, 1 atm), nơi thể tích mol tăng lên khoảng 24,5 L — cùng số mol, nhưng khí ấm hơn.
Dalton: các khí không tương tác với nhau
Trong hỗn hợp, mỗi khí tác động lên thành bình như thể những khí khác không có mặt; phần của nó trong áp suất tổng là áp suất riêng phần, và tổng chỉ là phép cộng. Tốt hơn nữa, áp suất riêng phần ÷ áp suất tổng = phần mol: không khí khoảng 78% N2 và 21% O2, nên ở 1 atm oxy đóng góp khoảng 0,21 atm. Mẫu Dalton (0,4 + 0,35 + 0,25 atm) cộng lại thành 1,0 atm tổng với phần mol 40/35/25%. Đó cũng là lý do bảng lặn bình dưỡng khí và sinh lý học lặn sâu được tính bằng áp suất riêng phần — độc tính của oxy phụ thuộc vào áp suất của nó, không phải áp suất của hỗn hợp.
Graham: phân tử nhẹ hơn bay nhanh hơn
Ở cùng nhiệt độ, mọi phân tử mang cùng động năng trung bình, nên các phân tử nhẹ phải chuyển động nhanh hơn — và tốc độ thoát khí (qua một lỗ kim) tỷ lệ với 1/√M. Mẫu so sánh heli (4 g/mol) với oxy (32 g/mol): He thoát nhanh hơn √(32/4) = 2,83 lần. Đó là lý do bóng bay heli xẹp dần qua đêm, trong khi bóng bơm không khí dùng được hàng tuần.
Khi nào khí không còn là lý tưởng
Hai giả định bị phá vỡ ở các cực đoan: các phân tử có chiếm thể tích, và chúng có hút nhau. Phương trình van der Waals (P + an²/V²)(V − nb) = nRT vá cả hai — b loại bỏ thể tích mà chính các phân tử chiếm, còn a thêm một lực kéo hướng vào làm dịu bớt va đập vào thành. Ở áp suất cao, số hạng thể tích chiếm ưu thế và áp suất thực tế chạy cao hơn lý tưởng; gần điểm ngưng tụ, lực hút chiếm ưu thế và nó chạy thấp hơn. Mẫu CO2 (1 L, 0,042 mol, 273 K) là trường hợp thứ hai: lý tưởng dự đoán 0,9409 atm, van der Waals 0,9362 atm — một sự thiếu hụt nhỏ nhưng có thật, tăng nhanh khi khí tiến gần đến hóa lỏng. Quy tắc ngón tay cái: chuyển sang van der Waals khi trên vài trăm atm, gần điểm sôi, hoặc với các khí hút mạnh như NH3 và CO2.
Những hiểu lầm phổ biến
- Độ C vẫn ổn nếu bạn nhất quán. Chỉ các hiệu nhiệt độ là giống nhau giữa °C và K. Các tỷ số như V1/T1 cần nhiệt độ tuyệt đối — định luật Charles cho 2 L → 2,73 L khi dùng kelvin, nhưng cho kết quả vô lý khi dùng độ C.
- Mọi khí chiếm 22,4 L ở STP. Tính theo mol, đúng vậy — con số đếm hạt, không phải loại chất. Và đó là giá trị của khí lý tưởng; các khí thực tế sẽ lệch đi một chút.
- Khí thực tế luôn lệch lên trên. Hướng lệch phụ thuộc vào số hạng nào chiếm ưu thế: thể tích bị loại trừ đẩy áp suất lên, còn lực hút kéo nó xuống.
- Bóng bay heli xẹp đi vì cao su xốp với hóa học. Đó là vật lý: các phân tử nhỏ, nhanh chui qua những khe hở nhỏ — tốc độ ∝ 1/√M.
Công cụ liên quan: Nhiệt hóa học (nhiệt và công của khí), Cân bằng hóa học (Kp từ áp suất khí), và Khối lượng mol (M trong định luật Graham).
