Đang tải bài học…

AP Chemistry

áp suất

pressure

Áp suất là đại lượng đo lực vuông góc tác dụng trên một đơn vị diện tích bề mặt.

Khi các phân tử khí chuyển động hỗn loạn trong một bình chứa, chúng liên tục va chạm vào thành bình và tạo ra những lực đẩy nhỏ. Tổng hợp của vô số va chạm này biểu hiện thành một lực phân bố đều trên bề mặt, và người ta gọi đó là áp suất (pressure). Về mặt định lượng, áp suất được tính bằng thương số giữa lực vuông góc tác dụng lên bề mặt và diện tích của bề mặt đó: $P = \frac{F}{A}$ Trong công thức này, $P$ là áp suất, $F$ là lực tác dụng và $A$ là diện tích bề mặt chịu lực. Do đó, cùng một lực nhưng diện tích tiếp xúc càng nhỏ thì áp suất càng lớn.

Độ lớn của áp suất phụ thuộc vào ba yếu tố: số lượng phân tử khí, nhiệt độ và thể tích bình chứa. Khi nhiệt độ tăng, các phân tử chuyển động nhanh hơn nên va chạm vào thành bình mạnh hơn và thường xuyên hơn, làm áp suất tăng theo. Ngược lại, khi thể tích bình tăng lên trong khi số phân tử không đổi, mật độ phân tử giảm đi khiến số lần va chạm trên mỗi đơn vị diện tích ít hơn, và áp suất giảm xuống.

Hơn nữa, trong thực hành thí nghiệm, áp suất khí quyển thường được đo bằng đơn vị át-mốt-phe (atm), trong đó một át-mốt-phe tương ứng với áp suất khí quyển trung bình tại mặt nước biển. Ngoài ra, đơn vị torr cũng hay xuất hiện trong các bài tập về áp suất hơi, và hệ thức quy đổi chuẩn là $1 \text{ atm} = 760 \text{ torr} = 101{,}325 \text{ Pa}$ . Vì vậy, đối với hỗn hợp nhiều chất khí, áp suất toàn phần bằng tổng các áp suất riêng phần theo định luật Dalton, nhờ đó ta có thể tính áp suất của từng khí thành phần một cách độc lập.

Ký hiệuP

Đơn vịatm, torr, mmHg, Pa (pascal)

Trực giác: Hãy tưởng tượng bạn nằm trên giường đinh: nếu chỉ có vài chục chiếc đinh, mỗi đinh chịu cả trọng lượng cơ thể nên đâm rất đau, nhưng nếu có hàng nghìn chiếc đinh san sẻ sức nặng thì mỗi chiếc chỉ ấn nhẹ — áp suất chính là "sức nặng dồn lên mỗi chiếc đinh" như thế.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{P} = \frac{\htmlClass{fp-1}{F}}{\htmlClass{fp-2}{A}}

Dùng khi cần tính áp suất từ lực tác dụng và diện tích tiếp xúc, hoặc để hiểu tại sao áp suất khí tăng khi thể tích bình giảm (diện tích tường bình nhỏ hơn, số va chạm trên mỗi đơn vị diện tích tăng).

Trong đó

P

áp suất — Pa, atm, hoặc torr

F

lực tác dụng vuông góc lên bề mặt — N

A

diện tích bề mặt chịu lực — m²

P = \htmlClass{fp-0}{\rho} \htmlClass{fp-1}{g} \htmlClass{fp-2}{h}

Khái niệm này sinh ra từ đâu

Simon StevinEvangelista TorricelliBlaise Pascal

Khái niệm áp suất không do một người phát minh trong một khoảnh khắc, mà lớn dần trong ngành cơ học chất lưu (fluid mechanics) qua các công trình của Stevin, Torricelli và Pascal, tức là đã có sẵn từ trước khi cơ học thống kê (statistical mechanics) ra đời.

Trước khi trở thành một đại lượng có định nghĩa gọn gàng, áp suất là câu trả lời cho những câu hỏi rất thực tế về chất lỏng và không khí: nước đè lên thành bình mạnh đến đâu, vì sao cột thủy ngân trong ống của Torricelli dừng lại ở một độ cao nhất định, vì sao độ cao ấy thay đổi khi mang ống lên núi. Chính vì bài toán xuất phát từ chất lưu chứ không từ chất rắn, khái niệm được xây dựng quanh ý tưởng lực phân bố trên bề mặt. Vì vậy khi các nhà vật lý sau này giải thích áp suất chất khí bằng va chạm của vô số phân tử, họ không tạo ra khái niệm mới mà giải thích lại một đại lượng đã có sẵn trong cơ học chất lưu.

Hay hiểu sai

Áp suất tổng tăng không có nghĩa mọi áp suất riêng phần đều tăng.

Áp suất tổng ở cân bằng không phải là áp suất của một chất nào cả.

Không được thay số vào $PV=nRT$ khi nhiệt độ còn ở độ Celsius.

Áp suất là lực trên một đơn vị diện tích, không phải lực.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Phosgene phân hủy theo phương trình

\text{COCl}_2(g) \rightleftharpoons \text{CO}(g) + \text{Cl}_2(g)

. Người ta bơm

\text{COCl}_2

tinh khiết vào một bình cứng đã hút chân không ở 690 K; áp suất ban đầu trong bình đo được là 1,0 atm. Sau khi hệ đạt cân bằng ở cùng nhiệt độ, áp suất tổng trong bình là 1,2 atm.

aTính áp suất riêng phần (partial pressure) của cả ba chất khí lúc cân bằng.
bTính giá trị $K_p$ của phản ứng ở 690 K.
cNếu nén bình xuống còn một nửa thể tích ở 690 K, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào và $K_p$ có thay đổi không? Giải thích.

1Bước 1:

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyLực liên phân tử · bài “Phương trình khí lý tưởng” — khoá AP Chemistry

Cần trướclực

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

áp suất hơivapor pressure

Khác nhau ở đâuÁp suất là lực trên diện tích do bất kỳ chất khí nào tác dụng lên thành bình. Áp suất hơi đặc trưng riêng cho pha hơi cân bằng với pha lỏng của cùng một chất ở nhiệt độ xác định.

Hay nhầm khiĐề hỏi tại sao nước sôi ở 100 °C: đó là lúc áp suất hơi bằng áp suất khí quyển — không phải lúc áp suất tổng đạt giá trị nào đó.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 2, 14, 16.

Dùng để chuyển đổi giữa chiều cao cột chất lỏng và áp suất; là cơ sở của các đơn vị mmHg và torr trong đo áp suất khí quyển.

Trong đó

P

áp suất tại đáy cột chất lỏng — Pa

\rho

khối lượng riêng của chất lỏng — kg/m³

g

gia tốc trọng trường — m/s²

h

chiều cao cột chất lỏng — m

Vì sao mang đúng cái tên này? Hành trình của chính từ "pressure" không đi theo đường thẳng: nghĩa của nó được lần lại qua các trích dẫn gốc của Stevin, Torricelli và Pascal, mỗi người dùng từ theo cách hơi khác nhau trước khi nội dung khái niệm ổn định như hiện nay. Đó là lý do tên gọi gợi ý "sự ép, sự đè" — một cảm nhận trực quan về lực — chứ không gợi ngay ý "lực chia cho diện tích" như định nghĩa hiện đại.

Khi thu khí trên nước, phải trừ áp suất hơi nước trước khi tính số mol.

Câu tự luận yêu cầu "show your work", nên phải viết ra biểu thức trước khi ra số.

Đọc kỹ hai chữ "rigid" và "constant temperature" trong đề — chúng quyết định cách lập luận.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Vì bình cứng và nhiệt độ không đổi, áp suất của mỗi khí tỉ lệ thuận với số mol của nó, nên ta được phép lập bảng biến thiên trực tiếp bằng áp suất thay vì bằng nồng độ. Gọi

x

là phần áp suất

\text{COCl}_2

đã phân hủy, tính theo atm. Theo hệ số tỉ lượng

1:1:1

, cứ

x

atm

\text{COCl}_2

mất đi thì sinh ra đúng

x

atm CO và

x

atm

\text{Cl}_2

. Lúc cân bằng:

P_{\text{COCl}_2} = 1{,}0 - x

P_{\text{CO}} = x

P_{\text{Cl}_2} = x

2Bước 2: Áp suất tổng là tổng các áp suất riêng phần, đây chính là nội dung định luật Dalton (Dalton's law of partial pressures). Do đó

P_{\text{total}} = (1{,}0 - x) + x + x = 1{,}0 + x

. Thay số:

1{,}0 + x = 1{,}2

, suy ra

x = 0{,}2

atm. Nói cách khác, áp suất tăng thêm 0,2 atm chính là do một phân tử khí ban đầu tách thành hai phân tử khí.

3Bước 3: Thay

x

vào các biểu thức ở Bước 1:

P_{\text{COCl}_2} = 1{,}0 - 0{,}2 = 0{,}8

atm, còn

P_{\text{CO}} = P_{\text{Cl}_2} = 0{,}2

atm. Kiểm tra lại:

0{,}8 + 0{,}2 + 0{,}2 = 1{,}2

atm, đúng bằng áp suất tổng đề cho.

4Bước 4: Viết biểu thức hằng số cân bằng theo áp suất, tử số là các sản phẩm, mẫu số là chất phản ứng, mỗi số hạng lũy thừa bằng hệ số tỉ lượng:

K_p = \frac{P_{\text{CO}} \cdot P_{\text{Cl}_2}}{P_{\text{COCl}_2}} = \frac{(0{,}2)(0{,}2)}{0{,}8} = 0{,}050

Giá trị này không kèm đơn vị và nhỏ hơn 1 khá nhiều, cho thấy ở 690 K cân bằng vẫn nghiêng về phía phosgene chưa phân hủy.

5Bước 5: Với ý (c), nén bình còn một nửa thể tích làm mọi áp suất riêng phần tăng gấp đôi. Khi đó thương số phản ứng thành

Q_p = \frac{(0{,}4)(0{,}4)}{1{,}6} = 0{,}10 > K_p

, nên hệ phải chuyển dịch ngược lại để giảm sản phẩm. Vì vậy cân bằng dịch sang trái, tức về phía có ít mol khí hơn (1 mol so với 2 mol). Tuy nhiên

K_p

chỉ phụ thuộc nhiệt độ, mà nhiệt độ vẫn giữ ở 690 K, nên

K_p

không đổi.

Lúc cân bằng ở 690 K, bình chứa $\text{COCl}_2$ ở 0,8 atm cùng CO và $\text{Cl}_2$ mỗi khí ở 0,2 atm, ứng với $K_p = 0{,}050$ . Khi nén bình còn nửa thể tích, cân bằng dịch chuyển sang phía $\text{COCl}_2$ để giảm bớt tổng số mol khí, nhưng giá trị $K_p$ vẫn giữ nguyên 0,050 vì nhiệt độ không đổi.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh khảo sát tính chất của kim loại

\text{E}

bằng cách cho 0,0593 g

\text{E}

tác dụng hoàn toàn với dung dịch HCl dư theo phương trình

\text{E}(s) + 2\,\text{HCl}(aq) \rightarrow \text{ECl}_2(aq) + \text{H}_2(g)

. Khí hydrogen sinh ra được thu qua nước ở 298 K, thể tích khí thu được là 62,0 mL và áp suất tổng trong ống thu bằng đúng áp suất khí quyển 755 torr. Biết áp suất hơi bão hòa của nước (vapor pressure) ở 298 K là 23,8 torr và

R = 0{,}08206\ \text{L·atm·mol}^{-1}\text{K}^{-1}

aTính áp suất riêng phần của $\text{H}_2$ trong ống thu, theo atm.
bTính số mol $\text{H}_2$ thu được.
cTính khối lượng mol của $\text{E}$ và xác định $\text{E}$ là nguyên tố nào.

1Bước 1: Khí thu qua nước luôn lẫn hơi nước, nên áp suất đo được là áp suất của hỗn hợp chứ không phải của riêng hydrogen. Áp dụng định luật Dalton:

P_{\text{total}} = P_{\text{H}_2} + P_{\text{H}_2\text{O}}

, từ đó

P_{\text{H}_2} = 755 - 23{,}8 = 731{,}2

torr. Đổi sang atm:

P_{\text{H}_2} = \frac{731{,}2}{760} = 0{,}9621\ \text{atm}

Nếu quên trừ hơi nước, mọi kết quả sau đó đều lớn hơn thực tế khoảng 3%.

2Bước 2: Chuyển thể tích về lít trước khi dùng phương trình khí lý tưởng (ideal gas equation):

V = 62{,}0\ \text{mL} = 0{,}0620\ \text{L}

. Nhiệt độ đã cho sẵn ở thang Kelvin nên giữ nguyên

T = 298

3Bước 3: Thay vào

PV = nRT

và giải theo

n

n_{\text{H}_2} = \frac{PV}{RT} = \frac{(0{,}9621)(0{,}0620)}{(0{,}08206)(298)} = \frac{0{,}05965}{24{,}45} = 2{,}44\times10^{-3}\ \text{mol}

Vậy ống thu chứa khoảng 0,00244 mol khí hydrogen.

4Bước 4: Theo phương trình phản ứng, tỉ lệ mol giữa

\text{E}

và

\text{H}_2

là

1:1

, nên

n_{\text{E}} = 2{,}44\times10^{-3}

mol. Do đó khối lượng mol của kim loại là

M_{\text{E}} = \frac{m}{n} = \frac{0{,}0593}{2{,}44\times10^{-3}} = 24{,}3\ \text{g·mol}^{-1}

Giá trị này trùng với magnesium (

M = 24{,}31

), một kim loại nhóm 2 tạo ion

\text{Mg}^{2+}

đúng như công thức

\text{ECl}_2

trong đề.

Áp suất riêng phần của hydrogen trong ống thu là 0,962 atm, ứng với $2{,}44\times10^{-3}$ mol khí. Vì kim loại phản ứng theo tỉ lệ mol $1:1$ với $\text{H}_2$ , khối lượng mol của $\text{E}$ bằng $24{,}3\ \text{g·mol}^{-1}$ , nên $\text{E}$ chính là magnesium.

giản đồ pha (sắp có)

Liên quanđịnh luật Boyle (sắp có)định luật khí lí tưởng áp suất riêng phần

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.