დედამიწის პლანეტის ატმოსფეროში არ არის თავისუფალი ჰელიუმი და წყალბადი. არის მხოლოდ აზოტი (78%), ჟანგბადი (21%), არგონი (0,90%), ნახშირორჟანგი და ა.შ. ვენერას ატმოსფერო თითქმის მთლიანად ნახშირორჟანგისგან (CO2) შედგება . იუპიტერის ატმოსფეროში ბევრი თავისუფალი ჰელიუმი და წყალბადია. მთვარეს ატმოსფერო არ აქვს. რატომ არის თითოეული პლანეტის ატმოსფეროს ტიპი განსხვავებული? რატომ არ არის თავისუფალი ჰელიუმი და წყალბადი დედამიწის ატმოსფეროში?
საშუალო კვადრატული სიჩქარე
საშუალო კვადრატული სიჩქარის ფესვი = საშუალო კვადრატული ფესვი = v rms . v rms განტოლების მიღება შეგვიძლია ტემპერატურისა და კინეტიკური ენერგიის განტოლებების ტრანსლაციურ განტოლებებად გადაქცევით.
ინფორმაცია:
v rms = საშუალო კვადრატული სიჩქარე ან სიჩქარე (მ/წმ)
k = ბოლცმანის მუდმივა n (k = 1,38 x 10-23 J /K)
T = აბსოლუტური ტემპერატურა (K = კელვინი)
მ = მასა (კგ)
ინფორმაცია:
v rms = საშუალო კვადრატული სიჩქარე ან სიჩქარე (მ/წმ)
R = უნივერსალური აირის მუდმივა (R = 8,315 ჯ/მოლ.K = 8315 კჯ/კმოლ.K)
NA = მოლეკულების რაოდენობა მოლზე = ავოგადროს რიცხვი (NA = 6,02 x 10 23 / მოლი = 6,02 x 10 26 / კმოლ)
T = ტემპერატურა (K)
M = მოლეკულური მასა = მოლური მასა (კგ/კმოლ ან გრამი/მოლი)
ზემოთ მიღებული v rms არის აირში მოლეკულების საშუალო სიჩქარე. ზოგიერთ მოლეკულას აქვს v rms-ზე მეტი სიჩქარე, ზოგს კი v rms-ზე ნაკლები სიჩქარე. 1859 წელს ჯეიმს კლერკ მაქსველმა (1831–1879) თეორიულად აღმოაჩინა აირში მოლეკულური სიჩქარის განაწილება. მაქსველის მოლეკულური სიჩქარის განაწილება მიღებულია კინეტიკური თეორიიდან და, შესაბამისად, უფრო ზუსტია იდეალური აირის მოლეკულებისთვის. მაქსველის მოლეკულური სიჩქარის განაწილება ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ გრაფიკზე.
1920 წელს რამდენიმე მეცნიერმა ჩაატარა ექსპერიმენტი რეალური აირის მოლეკულების სიჩქარის განაწილების შესასწავლად. აღმოჩნდა, რომ ექსპერიმენტების შედეგად მიღებული რეალური აირის მოლეკულების სიჩქარის განაწილება ზუსტად იგივე იყო, რაც მაქსველის დასკვნებში.
როდესაც გაზის სიმკვრივე საკმარისად მაღალია, რეალური გაზის მოლეკულების ექსპერიმენტულად მიღებული სიჩქარის განაწილება არ ემთხვევა მაქსველის მიერ მიღებულ თეორიულ სიჩქარის განაწილებას. ამრიგად, მაქსველის განაწილება, რომელიც დაფუძნებულია გაზების კინეტიკურ თეორიაზე ნიუტონის მექანიკის გამოყენებით, შეზღუდულია. მაღალი სიმკვრივის დროს გაზის მოლეკულების სიჩქარის განაწილება შეიძლება აიხსნას კვანტური პრინციპებით.
ექსპერიმენტის შედეგად მიღებული რეალური აირის მოლეკულების სიჩქარის განაწილება ქვემოთ მოცემულ ფიგურას ჰგავს.
ეს ფიგურა გვიჩვენებს რეალური აირის მოლეკულების სიჩქარის განაწილებას ორი განსხვავებული ტემპერატურისთვის. ამ ექსპერიმენტის შედეგად მიღებული მოლეკულების სიჩქარის განაწილების გრაფიკი შეესაბამება ზემოთ მოცემულ v rms განტოლებას (v rms პირდაპირპროპორციულია ტემპერატურის). რადგან v rms პირდაპირპროპორციულია ტემპერატურის, როდესაც ტემპერატურა იზრდება (T2), მოლეკულური სიჩქარის განაწილების მრუდი კიდევ უფრო მარჯვნივ გადაინაცვლებს (v rms იზრდება). EA (აქტივაციის ენერგია) არის მინიმალური კინეტიკური ენერგია, რომელიც საჭიროა ქიმიური რეაქციის წარმოსაჩენად.
ზემოთ მოცემული გრაფიკიდან ჩანს, რომ რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით უფრო მეტ მოლეკულას აქვს კინეტიკური ენერგია, რომელიც აღემატება აქტივაციის ენერგიას (EA). სწორედ ამიტომ, რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით უფრო სწრაფია ქიმიური რეაქცია. რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით უფრო დიდია მოლეკულების კინეტიკური ენერგია. რადგან მოლეკულებს აქვთ მაღალი კინეტიკური ენერგია, შეჯახებისას მათ შეუძლიათ ერთმანეთთან შეწებება.
მაგალითი კითხვა 1:
განსაზღვრეთ აზოტის მოლეკულის (N2) rms v ჰაერში 20 ° C ტემპერატურაზე (აზოტის მოლეკულური მასა = 28 გრამი/მოლი = 28 კგ/კმოლ)
დისკუსია
k = 1,38 x 10-23 J/K = 1,38 x 10-23 (კგ მ 2 / წმ 2 )/K
T = 20 ° C + 273 = 293 K
N 2 (M) -ის მოლური მასა ან მოლეკულური მასა = 2 x 14 u = 2 x 14 გრამი/მოლი = 28 გრამი/მოლი = 28 კგ/კმოლი (N = 14 u-ის ატომური მასა. იხილეთ ელემენტების პერიოდული ცხრილი)
მოლეკულების რაოდენობა/მოლი = ავოგადროს რიცხვი (NA) = 6,02 x 10 23 /მოლი = 6,02 x 10 26 /კმოლ
აზოტის მასა (მ) = ?
აზოტის rms სიჩქარე (v rms) = ?
მაგალითი კითხვა 2:
განსაზღვრეთ ჰელიუმის (He) rms v ჰაერში 20 ° C ტემპერატურაზე …. (ჰელიუმის მოლეკულური მასა = 4 გრამი/მოლი = 4 კგ/კმოლი)
დისკუსია
k = 1,38 x 10-23 ჯ/კ
T = 20 ° C + 273 = 293 K
He-ს მოლური მასა/მოლეკულური მასა (M) = 4 u = 4 გრამი/მოლი = 4 კგ/კმოლი (He-ს ატომური მასა = 4 u. იხილეთ ელემენტების პერიოდული ცხრილი)
მოლეკულების რაოდენობა/მოლი = ავოგადროს რიცხვი (NA) = 6,02 x 10 23 /მოლი = 6,02 x 10 26 /კმოლ
მასა He (მ) = ?
RMS მაჩვენებელი He (v rms) = ?
მაგალითი კითხვა 3:
განსაზღვრეთ წყალბადის ( H2 ) rms v ჰაერში 20 o C ტემპერატურაზე …. (წყალბადის მოლეკულური მასა = 2 გრამი/მოლი = 4 კგ/კმოლი)
დისკუსია
k = 1,38 x 10-23 ჯ/კ
T = 20 ° C + 273 = 293 K
წყალბადის მოლური მასა/მ მოლეკულური მასა (M) = 2 x 1 u = 2 u = 2 გრამი/მოლი = 2 კგ/კმოლი (H-ის ატომური მასა = 1 u. იხილეთ ელემენტების პერიოდული ცხრილი)
მოლეკულების რაოდენობა/მოლი = ავოგადროს რიცხვი (NA) = 6,02 x 102 3 /მოლი = 6,02 x 10 26 /კმოლ
H2- ის მასა (მ) = ?
H2- ის RMS სიჩქარე (v rms) = ?
მაგალითი კითხვა 4:
განსაზღვრეთ ჟანგბადის მოლეკულების ( O2 ) rms სიჩქარე ჰაერში 20 ° C ტემპერატურაზე ( O2- ის მოლეკულური მასა = 32 გრამი/მოლი = 44 კგ/კმოლი)
დისკუსია
k = 1,38 x 10-23 ჯ/კ
T = 20 ° C + 273 = 293 K
მოლური მასა/ჟანგბადის მოლეკულური მასა (M) = 2 x 16 u = 32 u = 32 გრამი/მოლი = 32 კგ/კმოლ (ატომური მასა O = 16 u. იხილეთ ელემენტების პერიოდული ცხრილი)
მოლეკულების რაოდენობა/მოლი = ავოგადროს რიცხვი (NA) = 6,02 x 10 23 /მოლი = 6,02 x 10 26 /კმოლ
O2- ის მასა (მ) = ?
H2- ის RMS სიჩქარე (v rms) = ?
მაგალითი კითხვა 5:
განსაზღვრეთ ნახშირორჟანგის ( CO2 ) მოლეკულების rms სიჩქარე ჰაერში 20 ° C ტემპერატურაზე ( CO2- ის მოლეკულური მასა = 44 გრამი/მოლი = 44 კგ/კმოლ)
დისკუსია
k = 1,38 x 10-23 J/K = 1,38 x 10-23 (კგ მ 2 / წმ 2 )/K
T = 30 ° C + 273 = 293 K
CO2- ის მოლური მასა/მოლეკულური მასა (M) = 12 u + (2 x 16 u) = 12 u + 32 u = 44 u = 44 გრამი/მოლი = 44 კგ/კმოლ (ატომური მასა C = 12 u, ატომური მასა O = 16 u. იხილეთ ელემენტების პერიოდული ცხრილი)
მოლეკულების რაოდენობა/მოლი = ავოგადროს რიცხვი (NA2 ) = 6,02 x 1023 /მოლი = 6,02 x 1026 /კმოლი
CO2- ის მასა (მ) = ?
CO2 rms სიჩქარე (v rms) = ?
ზოგიერთი ტიპის გაზის v rms
ახლა შევადაროთ რამდენიმე ტიპის აირების rms v:
v rms წყალბადი (H2 ) = 1917 მ/წმ = 1,92 კმ/წმ (20 ° C ტემპერატურაზე )
v rms ჰელიუმი (He) = 1355,7 მ/წმ = 1,36 კმ/წმ (20 ° C ტემპერატურაზე )
v rms აზოტი (N2 ) = 510,75 მ/წმ = 0,51 კმ/წმ (20 ° C ტემპერატურაზე )
v rms ჟანგბადი (O2 ) = 478,4 მ/წმ = 0,48 კმ/წმ (20 ° C ტემპერატურაზე )
v rms ნახშირორჟანგი (CO2 ) = 407,6 მ/წმ = 0,41 კმ/წმ (20 ° C ტემპერატურაზე )
ყველაზე მაღალი rms სიჩქარის მქონე აირი წყალბადია, ხოლო ყველაზე დაბალი - ნახშირორჟანგი. ახლა შეადარეთ ეს დედამიწის ზედაპირზე არსებულ გაქცევის სიჩქარეს (გაქცევის სიჩქარე = 11,2 კმ/წმ). გაქცევის სიჩქარე არის მინიმალური სიჩქარე, რომელიც საჭიროა ობიექტისთვის დედამიწის გრავიტაციული ველიდან გასასვლელად.
თუ გაზის მოლეკულების v rms გაქცევის სიჩქარის მხოლოდ 1/6-ჯერ მეტია (1/6 x 11,2 კმ/წმ = 1,86 კმ/წმ), მაშინ საკმაოდ ბევრი გაზის მოლეკულაა, რომელთა სიჩქარე გაქცევის სიჩქარეზე მეტია (გახსოვდეთ ზემოთ ახსნილი მოლეკულური სიჩქარის განაწილება). 20 ° C ტემპერატურაზე, წყალბადის v rms = 1,92 კმ/წმ (> 1,86 კმ/წმ). ამასობაში, ჰელიუმის გაზის v rms 20 ° C ტემპერატურაზე = 1,36 კმ/სთ (დაახლოებით 1,86 კმ/წმ). ეს 20 ° C ტემპერატურაზეა.
რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით უფრო მაღალია rms მნიშვნელობა. რაც უფრო მაღალია rms მნიშვნელობა, მით უფრო მეტია დედამიწის გრავიტაციული ველიდან გამოსვლის შანსი. სწორედ ეს არის მიზეზი, რის გამოც დედამიწის ატმოსფეროში თავისუფალი ჰელიუმი და წყალბადი არ არის.
პლანეტის გაქცევის სიჩქარის სიდიდე და გაზის მოლეკულების rms სიჩქარე განსაზღვრავს პლანეტის ან თანამგზავრის ატმოსფეროს ტიპს. ვენერას გაქცევის სიჩქარე 10,3 კმ/წმ-ია. CO2-ის rms სიჩქარე იმდენად მცირეა , რომ მას ვენერას ატმოსფეროდან გამოსვლა უჭირს. ამასობაში, იუპიტერის გაქცევის სიჩქარე 60 კმ/წმ-ია, რაც საკმაოდ დიდია იუპიტერის დიდი დიამეტრის გამო. ამიტომ, წყალბადს და ჰელიუმს არ შეუძლიათ იუპიტერის გრავიტაციული ველიდან თავის დაღწევა.
