Yer planetinin atmosferində sərbəst helium və hidrogen qazı yoxdur. Yalnız azot (78%), oksigen (21%), argon (0,90%), karbon qazı və s. mövcuddur. Veneranın atmosferi demək olar ki, tamamilə karbon qazından (CO2) ibarətdir . Yupiterin atmosferində çoxlu sərbəst helium və hidrogen var. Ayın atmosferi yoxdur. Hər planetin atmosferinin növü niyə fərqlidir? Yer atmosferində niyə sərbəst helium və hidrogen yoxdur?
Orta kvadrat sürət
Orta kvadrat sürət = orta kvadrat kök = v rms . Temperatur və Kinetik Enerji tənliklərini translyasiya tənliklərinə çevirməklə v rms tənliyini əldə edə bilərik .
Məlumat:
v rms = orta kvadrat sürət və ya sürət (m/s)
k = Boltzman sabiti n (k = 1,38 x 10 ‐23 J/K)
T = Mütləq temperatur (K = Kelvin)
m = kütlə (kq)
Məlumat:
v rms = orta kvadrat sürət və ya sürət (m/s)
R = Universal qaz sabiti (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)
NA = Mole başına düşən molekulların sayı = Avogadro ədədi (NA = 6,02 x 1023 / mol = 6,02 x 1026 /kmol)
T = temperatur (K)
M = molekulyar kütlə = molar kütlə (kq/kmol və ya qram/mol)
Yuxarıda əldə edilən v rms qazdakı molekulların orta sürətidir. Bəzi molekulların sürəti v rms-dən böyük, digərlərinin sürəti isə v rms-dən kiçikdir. 1859-cu ildə Ceyms Klerk Maksvell (1831–1879) nəzəri olaraq qazdakı molekulyar sürətlərin paylanmasını kəşf etdi. Maksvellin molekulyar sürət paylanması kinetik nəzəriyyədən əldə edilmişdir və buna görə də ideal qaz molekulları üçün daha dəqiqdir. Maksvellin molekulyar sürət paylanması aşağıdakı qrafikdə göstərildiyi kimi görünür.
1920-ci ildə bir neçə alim real qaz molekullarının sürət paylanmasını araşdırmaq üçün təcrübələr apardı. Məlum oldu ki, təcrübələr nəticəsində tapılan real qaz molekullarının sürət paylanması Maksvellin tapıntıları ilə tam eynidir.
Qaz sıxlığı kifayət qədər yüksək olduqda, real qaz molekullarının eksperimental olaraq əldə edilən sürət paylanması Maksvellin əldə etdiyi nəzəri sürət paylanması ilə uyğun gəlmir. Beləliklə, Nyuton mexanikasından istifadə edərək qazların kinetik nəzəriyyəsinə əsaslanan Maksvell paylanması məhduddur. Qaz molekullarının yüksək sıxlıqlarda sürət paylanması kvant prinsipləri ilə izah edilə bilər.
Təcrübə yolu ilə əldə edilən real qaz molekullarının sürətinin paylanması aşağıdakı şəkildəki kimi görünür.
Bu şəkil iki fərqli temperatur üçün real qaz molekullarının sürətinin paylanmasını göstərir. Bu təcrübə nəticəsində əldə edilən molekulların sürətinin paylanma qrafiki yuxarıdakı v rms tənliyinə uyğundur (v rms temperaturla düz mütənasibdir). Çünki v rms temperaturla düz mütənasibdir, temperatur artdıqda (T)2), molekulyar sürət paylanma əyrisi daha da sağa doğru sürüşür (v rms böyüyür). EA (aktivləşmə enerjisi) kimyəvi reaksiyanın baş verməsi üçün tələb olunan minimum kinetik enerjidir.
Yuxarıdakı qrafikdən görünür ki, temperatur nə qədər yüksəkdirsə, aktivləşmə enerjisindən (EA) daha çox molekulun kinetik enerjisi olur. Buna görə də temperatur nə qədər yüksəkdirsə, kimyəvi reaksiya bir o qədər sürətli olur. Temperatur nə qədər yüksəkdirsə, molekulların kinetik enerjisi də bir o qədər yüksəkdir. Molekullar yüksək kinetik enerjiyə malik olduqları üçün toqquşduqda bir-birinə yapışa bilirlər.
Nümunə sual 1:
20 o C temperaturda havada azot molekulunun (N2) orta kvadratik dəyərinin v-ni təyin edin ( azotun molekulyar kütləsi = 28 qram/mol = 28 kq/kmol)
Müzakirə
k = 1,38 x 10 ‐23 J/K = 1,38 x 10 ‐23 (kq m² / s² ) /K
T = 20 ° C + 273 = 293 K
N2 -nin molyar kütləsi və ya molekulyar kütləsi (M) = 2 x 14 u = 2 x 14 qram/mol = 28 qram/mol = 28 kq/kmol (N2-nin atom kütləsi = 14 u. elementlərin dövri cədvəlinə baxın)
Molekulların sayı/mol = Avogadro ədədi (NA) = 6,02 x 1023 / mol = 6,02 x 1026 /kmol
Azotun kütləsi (m) = ?
Azotun orta rms sürəti (v orta rms) = ?
Nümunə sual 2:
20 o C temperaturda havada Heliumun (He) orta kvadratik dəyərinin v-ni təyin edin …. (Heliumun molekulyar kütləsi = 4 qram/mol = 4 kq/kmol)
Müzakirə
k = 1,38 x 10 ‐23 J/K
T = 20 ° C + 273 = 293 K
He-nin molyar kütləsi/molekulyar kütləsi (M) = 4 u = 4 qram/mol = 4 kq/kmol (He-nin atom kütləsi = 4 u. elementlərin dövri cədvəlinə baxın)
Molekulların sayı/mol = Avogadro ədədi (NA) = 6,02 x 1023 / mol = 6,02 x 1026 /kmol
Kütlə He (m) = ?
RMS dərəcəsi He (v rms) = ?
Nümunə sual 3:
20 o C temperaturda havada Hidrogenin (H2) orta kvadratik frekanslarını təyin edin …. (Hidrogenin molekulyar kütləsi = 2 qram/mol = 4 kq/kmol)
Müzakirə
k = 1,38 x 10 ‐23 J/K
T = 20 ° C + 273 = 293 K
Hidrogenin molar kütləsi/M molekulyar kütləsi (M) = 2 x 1 u = 2 u = 2 qram/mol = 2 kq/kmol (H-nin atom kütləsi = 1 u. elementlərin dövri cədvəlinə baxın)
Molekulların sayı/mol = Avogadro ədədi (NA) = 6,02 x 102 3 /mol = 6,02 x 10 26 /kmol
H2 kütləsi (m) = ?
H2 -nin RMS sürəti (v rms) = ?
Nümunə sual 4:
20 o C temperaturda havada oksigen molekullarının (O2) orta kvadratik sürətini təyin edin. ( O2 -nin molekulyar kütləsi = 32 qram/mol = 44 kq/kmol)
Müzakirə
k = 1,38 x 10 ‐23 J/K
T = 20 ° C + 273 = 293 K
Molar kütlə/Oksigenin molekulyar kütləsi (M) = 2 x 16 u = 32 u = 32 qram/mol = 32 kq/kmol (atom kütləsi O = 16 u. elementlərin dövri cədvəlinə baxın)
Molekulların sayı/mol = Avogadro ədədi (NA) = 6,02 x 1023 / mol = 6,02 x 1026 /kmol
O2 -nin kütləsi (m) = ?
H2 -nin RMS sürəti (v rms) = ?
Nümunə sual 5:
20 o C temperaturda havada karbon qazı ( CO2 ) molekullarının orta rms sürətini təyin edin. ( CO2 -nin molekulyar kütləsi = 44 qram/mol = 44 kq/kmol)
Müzakirə
k = 1,38 x 10 ‐23 J/K = 1,38 x 10 ‐23 (kq m² / s² ) /K
T = 30 ° C + 273 = 293 K
Molar kütlə/CO2-nin molekulyar kütləsi ( M) = 12 u + (2 x 16 u) = 12 u + 32 u = 44 u = 44 qram/mol = 44 kq/kmol (atom kütləsi C = 12 u, atom kütləsi O = 16 u. Elementlərin dövri cədvəlinə baxın)
Molekulların sayı/mol = Avogadro ədədi (NA ) = 6,02 x 1023 /mol = 6,02 x 1026 /kmol
CO2 -nin kütləsi (m) = ?
CO2 rms sürəti (v rms) = ?
bəzi qaz növlərinin v rms
İndi isə bir neçə qaz növünün orta rms-ini (rms v) müqayisə edək:
v rms Hidrogen (H2 ) = 1917 m/s = 1,92 km/s (20 o C temperaturda )
v rms Helium (He) = 1355,7 m/s = 1,36 km/s (20 o C temperaturda )
v rms Azot (N2 ) = 510,75 m/s = 0,51 km/s (20 o C temperaturda )
v orta rms Oksigen (O2 ) = 478,4 m/s = 0,48 km/s (20 o C temperaturda )
v rms karbon qazı (CO2 ) = 407,6 m/s = 0,41 km/s (20 o C temperaturda )
Ən yüksək orta tezlikli qaz hidrogen, ən aşağı isə karbon qazıdır. İndi bunu Yer səthindəki qaçış sürəti ilə müqayisə edin (qaçış sürəti = 11,2 km/s). Qaçış sürəti, bir cismin Yerin cazibə sahəsindən qaçması üçün tələb olunan minimum sürətdir.
Əgər qaz molekullarının v rms-i qaçış sürətinin yalnız 1/6 mislidirsə (1/6 x 11,2 km/s = 1,86 km/s), onda sürəti qaçış sürətindən böyük olan kifayət qədər çox qaz molekulu var (yuxarıda izah edilən molekulyar sürətlərin paylanmasını xatırlayın). 20 o C temperaturda v rms Hidrogen qazı = 1,92 km/s (> 1,86 km/s). Bu arada, 20 o C temperaturda helium qazının v rms-i = 1,36 km/saatdır (təxminən 1,86 km/s). Bu, 20 o C temperaturdadır.
Temperatur nə qədər yüksəkdirsə, rms dəyəri də bir o qədər yüksəkdir. rms dəyəri nə qədər yüksəkdirsə, Yerin cazibə sahəsindən çıxma ehtimalı bir o qədər yüksəkdir. Yer atmosferində sərbəst helium və hidrogenin olmamasının səbəbi budur.
Planetin qaçış sürətinin böyüklüyü və qaz molekullarının orta mq sürəti planetin və ya peykin atmosferinin növünü müəyyən edir. Veneranın qaçış sürəti 10,3 km/s-dir. CO2-nin orta mq sürəti o qədər kiçikdir ki, onun Veneranın atmosferindən qaçması çətindir. Bu arada, Yupiterin qaçış sürəti 60 km/s-dir ki, bu da Yupiterin böyük diametrinə görə olduqca böyükdür. Buna görə də, hidrogen və helium Yupiterin cazibə sahəsindən qaça bilmir.
