Khí lý tưởng và khí thực

Khí lý tưởng và khí thực khác nhau ở một câu hỏi cốt lõi: khi nào $PV = nRT$ là một phép gần đúng tốt? Khí lý tưởng là một mô hình trong đó các hạt có thể tích không đáng kể và không có lực tương tác giữa các phân tử, ngoại trừ khi va chạm. Khí thực là khí tồn tại ngoài thực tế, nên các phân tử của nó có kích thước hữu hạn và có thể hút hoặc đẩy lẫn nhau.

Đó là lý do vì sao

$$PV = nRT$$

chỉ hoạt động tốt trong những điều kiện thích hợp. Nói chung, chất khí có xu hướng gần với khí lý tưởng hơn ở áp suất tương đối thấp và nhiệt độ cao hơn, khi các phân tử ở xa nhau hơn và ít có khả năng ngưng tụ.

Khí lý tưởng và khí thực: Khác biệt cốt lõi

Mô hình khí lý tưởng loại bỏ hai yếu tố phức tạp của thế giới thực.

Thứ nhất, nó xem các hạt khí như thể gần như không chiếm không gian so với thể tích bình chứa. Thứ hai, nó bỏ qua lực hút và lực đẩy giữa các phân tử, ngoại trừ các va chạm đàn hồi hoàn toàn.

Những giả thiết đó làm cho toán học trở nên đơn giản. Chúng không hoàn toàn đúng với các phân tử thực, nhưng thường đủ gần đúng cho hóa học nhập môn và nhiều phép tính khí trong đời sống hằng ngày.

Vì sao khí thực lệch khỏi định luật khí lý tưởng

Khí thực lệch khỏi mô hình vì các phân tử không phải là những điểm không kích thước và chúng có tương tác với nhau.

Nếu lực hút trở nên đáng kể, các phân tử sẽ kéo nhau và va vào thành bình với lực nhỏ hơn một chút. Trong những điều kiện đó, áp suất đo được có thể thấp hơn giá trị mà định luật khí lý tưởng dự đoán với cùng $n$, $V$, và $T$.

Nếu khí bị nén đủ mạnh, kích thước hữu hạn của các phân tử sẽ bắt đầu quan trọng hơn. Khi đó, khí có thể chống lại sự nén nhiều hơn so với mô hình lý tưởng dự đoán. Hiệu ứng nào chiếm ưu thế còn phụ thuộc vào loại khí và điều kiện, nên chiều lệch không phải lúc nào cũng giống nhau.

Một ví dụ có lời giải dùng hệ số nén

Một cách thực tế để kiểm tra mức độ lý tưởng là dùng hệ số nén:

$$Z = \frac{PV}{nRT}$$

Với khí lý tưởng, $Z = 1$. Với khí thực, $Z$ có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn $1$.

Giả sử $1.00\ \mathrm{mol}$ khí được giữ ở $300\ \mathrm{K}$ trong một bình $1.00\ \mathrm{L}$, và áp suất đo được là $24.0\ \mathrm{atm}$.

Nếu khí là lý tưởng, áp suất sẽ là

$$P_{\text{ideal}} = \frac{nRT}{V} = \frac{(1.00)(0.0821)(300)}{1.00} \approx 24.6\ \mathrm{atm}$$

Bây giờ hãy so sánh trạng thái đo được với hành vi lý tưởng:

$$Z = \frac{(24.0)(1.00)}{(1.00)(0.0821)(300)} \approx 0.97$$

Vì $Z < 1$, mẫu khí này cho thấy một độ lệch âm nhỏ so với hành vi lý tưởng trong các điều kiện này. Điều đó thường có nghĩa là lực hút đang làm giảm áp suất một chút so với giá trị lý tưởng dự đoán.

Những lỗi thường gặp khi so sánh khí lý tưởng và khí thực

Nghĩ rằng định luật khí lý tưởng vô dụng với khí thực

Định luật khí lý tưởng là một mô hình, không phải là định luật đúng tuyệt đối cho mọi khí trong mọi điều kiện. Nhiều khí thực vẫn tuân theo nó đủ sát cho các phép tính thông thường.

Cho rằng độ lệch chỉ xảy ra ở áp suất cao

Áp suất cao là một nguyên nhân phổ biến, nhưng nhiệt độ thấp cũng quan trọng. Khi khí tiến gần đến trạng thái ngưng tụ, lực hút giữa các phân tử trở nên quan trọng hơn.

Cho rằng độ lệch luôn theo một chiều

Không phải vậy. Nếu lực hút chiếm ưu thế, khí thực thường cho $Z < 1$. Nếu kích thước phân tử hữu hạn và lực đẩy tầm ngắn chiếm ưu thế, nó thường cho $Z > 1$.

Quên rằng điều kiện mới là yếu tố quyết định

Cùng một chất khí có thể gần như lý tưởng trong một khoảng điều kiện nhưng lại lệch đáng kể trong khoảng khác. Bạn không thể gắn nhãn một chất khí là "lý tưởng" hay "thực" mà không đồng thời xét đến áp suất và nhiệt độ.

Khi nào mô hình khí lý tưởng hoạt động tốt

Mô hình khí lý tưởng thường hoạt động tốt nhất khi áp suất tương đối thấp và khí còn xa trạng thái ngưng tụ. Trong những điều kiện đó, các phân tử ở đủ xa nhau để kích thước và lực hút của chúng ít quan trọng hơn.

Trong các bài toán sách giáo khoa đơn giản, điều này ít quan trọng hơn nếu chỉ cần ước lượng thô, nhưng lại quan trọng hơn nhiều trong các hệ áp suất cao, hành vi khí ở nhiệt độ thấp, các bài toán hóa lỏng, và mọi tình huống cần độ chính xác.

Khi nào bạn nên nghĩ đến hành vi của khí thực

Hãy cẩn thận hơn khi áp suất cao, nhiệt độ thấp, hoặc khí ở gần chuyển pha. Đó là những điều kiện mà các giả thiết đằng sau mô hình lý tưởng dễ bị phá vỡ nhất.

Trong các khóa học hóa học, mô hình lý tưởng vẫn là điểm khởi đầu đúng vì nó liên hệ rõ ràng giữa áp suất, thể tích, nhiệt độ và số mol. Hành vi của khí thực giải thích khi nào mô hình đầu tiên đó cần được hiệu chỉnh.

Hãy thử một bài tương tự

Hãy thử phiên bản của riêng bạn với cùng $n$, $V$, và $T$, nhưng dùng áp suất đo được là $26.0\ \mathrm{atm}$. Tính $Z$ và tự hỏi điều đó gợi ý gì về cách mẫu khí này đang lệch khỏi hành vi lý tưởng.

Nếu bạn muốn đi tiếp sau phần so sánh này, thì định luật khí lý tưởng là bước tiếp theo tự nhiên vì nó cho thấy mô hình đơn giản hóa được dùng như thế nào trong các phép tính thực tế.