Երկիր մոլորակի մթնոլորտում ազատ հելիում և ջրածին գազեր չկան։ Կա միայն ազոտ (78%), թթվածին (21%), արգոն (0,90%), ածխաթթու գազ և այլն։ Վեներայի մթնոլորտը գրեթե ամբողջությամբ կազմված է ածխաթթու գազից (CO2 ) ։ Յուպիտերի մթնոլորտում շատ ազատ հելիում և ջրածին կա։ Լուսինը մթնոլորտ չունի։ Ինչո՞ւ է յուրաքանչյուր մոլորակի մթնոլորտի տեսակը տարբեր։ Ինչո՞ւ Երկրի մթնոլորտում ազատ հելիում և ջրածին չկա։
Միջին քառակուսի արագություն
Միջին քառակուսի արագության արմատ = միջին քառակուսի արմատ = v rms : Մենք կարող ենք ստանալ v rms հավասարումը ՝ ջերմաստիճանի և կինետիկ էներգիայի հավասարումները վերածելով տեղափոխական հավասարումների:
Տեղեկություն:
v rms = միջին քառակուսի արագություն կամ արագություն (մ/վ)
k = Բոլցմանի հաստատուն n (k = 1,38 x 10-23 Ջ /Կ)
T = բացարձակ ջերմաստիճան (K = Կելվին)
մ = զանգված (կգ)
Տեղեկություն:
v rms = միջին քառակուսի արագություն կամ արագություն (մ/վ)
R = ունիվերսալ գազային հաստատուն (R = 8,315 Ջ/մոլ.K = 8315 կՋ/կմոլ.K)
NA = Մոլեկուլների քանակը մեկ մոլում = Ավոգադրոյի թիվ (NA = 6,02 x 10 23 /մոլ = 6,02 x 10 26 /կմոլ)
T = ջերմաստիճան (K)
M = մոլեկուլային զանգված = մոլային զանգված (կգ/կմոլ կամ գրամ/մոլ)
Վերևում ստացված v rms-ը գազի մոլեկուլների միջին արագությունն է: Որոշ մոլեկուլներ ունեն v rms-ից մեծ արագություններ, մինչդեռ մյուսները՝ v rms-ից փոքր արագություններ: 1859 թվականին Ջեյմս Քլարկ Մաքսվելը (1831–1879) տեսականորեն հայտնաբերեց գազի մոլեկուլային արագությունների բաշխումը: Մաքսվելի մոլեկուլային արագությունների բաշխումը ստացվել է կինետիկ տեսությունից և, հետևաբար, ավելի ճշգրիտ է իդեալական գազի մոլեկուլների համար: Մաքսվելի մոլեկուլային արագությունների բաշխումը ներկայացված է ստորև բերված գրաֆիկում:
1920 թվականին մի քանի գիտնականներ անցկացրեցին փորձեր՝ իրական գազի մոլեկուլների արագության բաշխումը հետազոտելու համար։ Պարզվեց, որ փորձերի միջոցով ստացված իրական գազի մոլեկուլների արագության բաշխումը բացարձակապես նույնն էր, ինչ Մաքսվելի արդյունքները։
Երբ գազի խտությունը բավականաչափ բարձր է, իրական գազի մոլեկուլների փորձարարական ճանապարհով ստացված արագության բաշխումը չի համապատասխանում Մաքսվելի կողմից ստացված տեսական արագության բաշխմանը: Այսպիսով, Մաքսվելի բաշխումը, որը հիմնված է Նյուտոնյան մեխանիկայի միջոցով գազերի կինետիկ տեսության վրա, սահմանափակ է: Բարձր խտությունների դեպքում գազի մոլեկուլների արագության բաշխումը կարելի է բացատրել քվանտային սկզբունքներով:
Փորձի միջոցով ստացված իրական գազի մոլեկուլների արագության բաշխումը նման է ստորև բերված նկարին։
Այս նկարը ցույց է տալիս իրական գազի մոլեկուլների արագության բաշխումը երկու տարբեր ջերմաստիճանների համար: Այս փորձի միջոցով ստացված մոլեկուլների արագության բաշխման գրաֆիկը համապատասխանում է վերևում նշված v rms հավասարմանը (v rms-ը ուղիղ համեմատական է ջերմաստիճանին): Քանի որ v rms-ը ուղիղ համեմատական է ջերմաստիճանին, երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է (T2), մոլեկուլային արագության բաշխման կորը ավելի է տեղաշարժվում դեպի աջ (v rms-ը մեծանում է): EA-ն (ակտիվացման էներգիան) քիմիական ռեակցիայի տեղի ունենալու համար անհրաժեշտ նվազագույն կինետիկ էներգիան է:
Վերևում պատկերված գրաֆիկից երևում է, որ որքան բարձր է ջերմաստիճանը, այնքան շատ մոլեկուլներ ունեն կինետիկ էներգիա, որը մեծ է ակտիվացման էներգիայից (EA): Ահա թե ինչու որքան բարձր է ջերմաստիճանը, այնքան արագ է քիմիական ռեակցիան: Որքան բարձր է ջերմաստիճանը, այնքան մեծ է մոլեկուլների կինետիկ էներգիան: Քանի որ մոլեկուլներն ունեն բարձր կինետիկ էներգիա, բախվելիս դրանք կարող են միմյանց կպչել:
Օրինակ հարց 1:
Որոշեք ազոտի մոլեկուլի ( N2 ) rms v-ն օդում 20 o C ջերմաստիճանում (ազոտի մոլեկուլային զանգվածը = 28 գրամ/մոլ = 28 կգ/կմոլ):
Քննարկում
k = 1,38 x 10-23 Ջ /Կ = 1,38 x 10-23 (կգ մ 2 /վ 2 )/Կ
T = 20 ° C + 273 = 293 Կ
N 2 (M) -ի մոլային զանգվածը կամ մոլեկուլային զանգվածը = 2 x 14 u = 2 x 14 գրամ/մոլ = 28 գրամ/մոլ = 28 կգ/կմոլ (N = 14 u-ի ատոմային զանգվածը։ տե՛ս տարրերի պարբերական աղյուսակը)
Մոլեկուլների քանակը/մոլ = Ավոգադրոյի թիվը (ԱԹ) = 6,02 x 10 23 /մոլ = 6,02 x 10 26 /կմոլ
Ազոտի զանգվածը (մ) = ?
Ազոտի rms արագություն (v rms) = ?
Օրինակ հարց 2:
Որոշեք հելիումի (He) rms v-ն օդում 20 o C ջերմաստիճանում …. (հելիումի մոլեկուլային զանգվածը = 4 գրամ/մոլ = 4 կգ/կմոլ)
Քննարկում
k = 1,38 x 10-23 Ջ/Կ
T = 20 ° C + 273 = 293 Կ
He-ի մոլային զանգվածը/մոլեկուլային զանգվածը (M) = 4 u = 4 գրամ/մոլ = 4 կգ/կմոլ (He-ի ատոմային զանգվածը = 4 u։ տե՛ս տարրերի պարբերական աղյուսակը)
Մոլեկուլների քանակը/մոլ = Ավոգադրոյի թիվը (ԱԹ) = 6,02 x 10 23 /մոլ = 6,02 x 10 26 /կմոլ
Զանգվածը He (մ) = ?
RMS արագություն՝ He (v rms) = ?
Օրինակ հարց 3:
Որոշեք ջրածնի ( H2 ) rms v-ն օդում 20 o C ջերմաստիճանում …. (ջրածնի մոլեկուլային զանգվածը = 2 գրամ/մոլ = 4 կգ/կմոլ)
Քննարկում
k = 1,38 x 10-23 Ջ/Կ
T = 20 ° C + 273 = 293 Կ
Ջրածնի մոլային զանգված/Մ մոլեկուլային զանգվածը (Մ) = 2 x 1 μ = 2 μ = 2 գրամ/մոլ = 2 կգ/կմոլ (H-ի ատոմային զանգվածը = 1 մ։ տե՛ս տարրերի պարբերական աղյուսակը)
Մոլեկուլների քանակը/մոլ = Ավոգադրոյի թիվը (ԱԹ) = 6,02 x 1023 / մոլ = 6,02 x 1026 /կմոլ
H2 զանգվածը (մ) = ?
H2- ի RMS արագությունը (v rms) = ?
Օրինակ հարց 4:
Որոշեք թթվածնի մոլեկուլների ( O2 ) rms արագությունը օդում 20 o C ջերմաստիճանում ( O2- ի մոլեկուլային զանգվածը = 32 գրամ/մոլ = 44 կգ/կմոլ):
Քննարկում
k = 1,38 x 10-23 Ջ/Կ
T = 20 ° C + 273 = 293 Կ
Մոլային զանգված/Թթվածնի մոլեկուլային զանգված (M) = 2 x 16 u = 32 u = 32 գրամ/մոլ = 32 կգ/կմոլ (ատոմային զանգված O = 16 u։ տե՛ս տարրերի պարբերական աղյուսակը)
Մոլեկուլների քանակը/մոլ = Ավոգադրոյի թիվը (ԱԹ) = 6,02 x 10 23 /մոլ = 6,02 x 10 26 /կմոլ
O2- ի զանգվածը (մ) = ?
H2- ի RMS արագությունը (v rms) = ?
Օրինակ հարց 5:
Որոշեք ածխաթթու գազի ( CO2 ) մոլեկուլների rms արագությունը օդում 20 o C ջերմաստիճանում ( CO2- ի մոլեկուլային զանգվածը = 44 գրամ/մոլ = 44 կգ/կմոլ):
Քննարկում
k = 1,38 x 10-23 Ջ /Կ = 1,38 x 10-23 (կգ մ 2 /վ 2 )/Կ
T = 30 ° C + 273 = 293 Կ
CO 2 (M) -ի մոլային զանգվածը/մոլեկուլային զանգվածը = 12 u + (2 x 16 u) = 12 u + 32 u = 44 u = 44 գրամ/մոլ = 44 կգ/կմոլ (ատոմային զանգված C = 12 u, ատոմային զանգված O = 16 u։ Տես տարրերի պարբերական աղյուսակը)
Մոլեկուլների քանակը/մոլ = Ավոգադրոյի թիվը (NA2 ) = 6,02 x 1023 /մոլ = 6,02 x 1026 /կմոլ
CO2- ի զանգվածը (մ) = ?
CO2 rms արագություն (v rms) = ?
Որոշակի տեսակի գազերի v rms
Հիմա համեմատենք մի քանի տեսակի գազերի rms v-ն՝
v rms Ջրածին (H2 ) = 1917 մ/վ = 1,92 կմ/վ (20 ° C ջերմաստիճանում )
v rms Հելիում (He) = 1355,7 մ/վ = 1,36 կմ/վ (20 ° C ջերմաստիճանում )
v rms Ազոտ (N2 ) = 510,75 մ/վ = 0,51 կմ/վ (20 ° C ջերմաստիճանում )
v rms թթվածին (O2 ) = 478,4 մ/վ = 0,48 կմ/վ (20 ° C ջերմաստիճանում )
v rms ածխաթթու գազ (CO2 ) = 407,6 մ/վ = 0,41 կմ/վ (20 ° C ջերմաստիճանում )
Ամենաբարձր rms արագություն ունեցող գազը ջրածինն է, իսկ ամենացածրը՝ ածխաթթու գազը։ Հիմա համեմատեք սա Երկրի մակերևույթի վրա փախուստի արագության հետ (փախուստի արագություն = 11,2 կմ/վ)։ Փախուստի արագությունը մարմնի համար Երկրի գրավիտացիոն դաշտից դուրս գալու համար անհրաժեշտ նվազագույն արագությունն է։
Եթե գազի մոլեկուլների v rms-ը փախուստի արագության ընդամենը 1/6-րդ անգամն է (1/6 x 11,2 կմ/վ = 1,86 կմ/վ), ապա կան բավականին շատ գազի մոլեկուլներ, որոնց արագությունը մեծ է փախուստի արագությունից (հիշեք վերևում բացատրված մոլեկուլային արագությունների բաշխումը): 20 ° C ջերմաստիճանում, v rms ջրածին գազը = 1,92 կմ/վ (> 1,86 կմ/վ): Միևնույն ժամանակ, հելիում գազը 20 ° C ջերմաստիճանում = 1,36 կմ/ժ (մոտ 1,86 կմ/վ): Սա 20 ° C ջերմաստիճանում է:
Որքան բարձր է ջերմաստիճանը, այնքան բարձր է rms արժեքը։ Որքան բարձր է rms արժեքը, այնքան մեծ է Երկրի գրավիտացիոն դաշտից դուրս գալու հավանականությունը։ Սա է պատճառը, որ Երկրի մթնոլորտում բացակայում են ազատ հելիումը և ջրածինը։
Մոլորակի փախուստի արագության մեծությունը և գազի մոլեկուլների rms արագությունը որոշում են մոլորակի կամ արբանյակի մթնոլորտի տեսակը: Վեներայի փախուստի արագությունը 10,3 կմ/վ է: CO2-ի rms արագությունը այնքան փոքր է , որ դժվար է դուրս գալ Վեներայի մթնոլորտից: Միևնույն ժամանակ, Յուպիտերի փախուստի արագությունը 60 կմ/վ է, որը բավականին մեծ է Յուպիտերի մեծ տրամագծի պատճառով: Հետևաբար, ջրածինը և հելիումը չեն կարող դուրս գալ Յուպիտերի գրավիտացիոն դաշտից:
