Đang tải bài học…

AP Chemistry

áp suất riêng phần

partial pressure

Còn gọi: partial pressures · áp suất phần · áp suất riêng phần của khí · partial pressure of a gas · áp suất riêng phần tại cân bằng · equilibrium partial pressure

Áp suất riêng phần là áp suất mà một chất khí trong hỗn hợp tự gây ra khi một mình chiếm toàn bộ thể tích bình, độc lập với các khí khác.

Khi nhiều chất khí cùng ở trong một bình, các phân tử của chúng hầu như không tương tác với nhau mà chỉ va đập vào thành bình. Vì vậy mỗi chất khí ứng xử như thể nó đang chiếm trọn thể tích ấy một mình, và phần áp suất do riêng nó tạo ra chính là áp suất riêng phần. Tổng các phần đóng góp đó cho ta áp suất toàn phần đo được bằng áp kế, một kết quả được phát biểu thành định luật Dalton (Dalton's law of partial pressures):

$P_{\text{total}}=P_1+P_2+P_3+\cdots$

Tức là áp suất chung của hỗn hợp bằng tổng áp suất riêng phần của từng thành phần. Vì mỗi khí đều thỏa mãn phương trình khí lý tưởng trong cùng một $V$ và $T$ , ta có $P_i=n_iRT/V$ , nên tỉ lệ giữa các áp suất riêng phần đúng bằng tỉ lệ giữa số mol. Do đó có thể viết

$P_i=\chi_i P_{\text{total}},\qquad \chi_i=\frac{n_i}{n_{\text{total}}}$

với $\chi_i$ là phần mol (mole fraction) của khí $i$ . Hệ quả quan trọng là áp suất riêng phần chỉ phụ thuộc số hạt của chất khí đó, hoàn toàn không phụ thuộc bản chất hay khối lượng phân tử của nó.

Hai tình huống trong đề thi khai thác trực tiếp ý này. Thứ nhất, khi thu khí trên mặt nước, chất khí luôn lẫn hơi nước, nên phải trừ áp suất hơi nước (vapor pressure) khỏi áp suất đo được thì mới ra áp suất của khí cần tính. Thứ hai, với cân bằng pha khí, người ta thay nồng độ bằng áp suất riêng phần để lập hằng số cân bằng $K_p$ ; các giá trị thế vào biểu thức phải là áp suất tại thời điểm cân bằng, không phải áp suất ban đầu. Tuy nhiên, cần nhớ mọi lập luận trên đều dựa trên giả định khí lý tưởng, nên ở áp suất rất cao hoặc nhiệt độ rất thấp, khi lực hút giữa các phân tử trở nên đáng kể, phép cộng đơn giản này bắt đầu sai lệch.

Ký hiệu

P_i

P_{\text{O}_2}

P_{\text{total}}

\chi_i

Đơn vịatm, kPa, mmHg (torr), bar

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

áp suất hơivapor pressure

Khác nhau ở đâuÁp suất riêng phần là đóng góp của một khí bất kì trong hỗn hợp khí vào tổng áp suất. Áp suất hơi là áp suất do hơi của một chất lỏng tạo ra khi cân bằng với pha lỏng của chính nó.

Hay nhầm khiĐề cho hỗn hợp khí thu trên mặt nước và hỏi áp suất khí khô — phải trừ áp suất hơi của nước ra khỏi tổng áp suất

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 16, 26, 493.

Công thức

P_{\text{total}} = P_1 + P_2 + P_3 + \cdots

Dùng khi biết áp suất riêng phần của từng khí trong hỗn hợp và cần tìm áp suất toàn phần.

Trong đó

P_{\text{total}}

Áp suất toàn phần của hỗn hợp khí — atm

P_i

Áp suất riêng phần của khí thứ

i

— atm

P_i = \htmlClass{fp-2}{\htmlClass{fp-0}{\chi_i} \cdot \htmlClass{fp-1}{P_{\text{total}}}}

Dùng khi biết thành phần mol của khí $i$ và áp suất toàn phần, cần tìm áp suất riêng phần của khí đó.

Trong đó

P_i

Áp suất riêng phần của khí

i

— atm

\chi_i

Tỷ lệ mol (mole fraction) của khí

i

, không thứ nguyên

P_{\text{total}}

Áp suất toàn phần của hỗn hợp — atm

Khái niệm này sinh ra từ đâu

đầu thế kỷ 19 (thuật ngữ tiếng Anh xuất hiện năm 1857)John DaltonHenry RoscoePaul Bert

Khái niệm áp suất riêng phần do nhà hóa học người Anh John Dalton (1766–1844) đưa ra vào đầu thế kỷ 19, khi ông tìm cách giải thích vì sao nhiều chất khí có thể cùng tồn tại trong một thể tích mà không cản trở nhau. Bản thân cụm từ tiếng Anh chỉ xuất hiện muộn hơn, năm 1857, trong một bản dịch của nhà hóa học Henry Roscoe.

Bài toán mà Dalton phải đối mặt là không khí: nếu nhiều chất khí trộn lẫn, vì sao chúng không tách lớp theo khối lượng mà vẫn phân bố đều? Ông đề xuất rằng các hạt của mỗi khí thành phần không tương tác với hạt của những khí còn lại, nên mỗi khí "sắp xếp đúng như khi ở trong khoảng không trống rỗng", đồng thời vẫn chiếm trọn thể tích chung. Từ hình dung đó suy ra ngay định luật Dalton (Dalton's law): $P_{\text{total}}=\sum_i P_i$ , tức áp suất tổng của hỗn hợp bằng tổng các áp suất riêng phần. Nhờ vậy, hỗn hợp khí trở thành bài toán cộng đơn giản thay vì một mớ hỗn độn.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tính từ "partial" trong tiếng Anh mang nghĩa "thuộc về một phần", và cách gọi tiếng Việt "riêng phần" giữ đúng tinh thần ấy: đây là phần áp suất mà riêng một khí thành phần đóng góp vào áp suất chung, chứ không phải một loại áp suất khác về bản chất. Cái tên phản ánh trực tiếp hình dung của Dalton, rằng mỗi khí ứng xử như thể nó ở một mình trong bình, nên áp suất của cả hỗn hợp chỉ là phép cộng các phần đó lại. Về sau, sinh lý học hô hấp cho thấy chính đại lượng này — chứ không phải nồng độ — mới quyết định hành vi sinh học của khí: Paul Bert (1833–1886) giữ áp suất riêng phần của oxy không đổi trong khi thay đổi áp suất khí quyển và thấy con vật vẫn bình thường, còn khi hạ nó xuống thì con vật lâm vào tình trạng thiếu oxy (hypoxia). Chính vì thế, thuật ngữ này được mượn sang y học dưới dạng sức căng khí trong máu (blood gas tension).

Nguồn đối chiếu

Hay hiểu sai

Thêm khí trơ vào bình cứng không làm đổi áp suất riêng phần của các khí có sẵn.

Chất rắn và chất lỏng nguyên chất không có áp suất riêng phần trong biểu thức cân bằng.

Không thay áp suất tổng vào chỗ đáng lẽ phải là áp suất riêng phần.

Q lớn hơn K thì phản ứng chạy về phía chất phản ứng, không phải phía sản phẩm.

Mẹo phòng thi

Trong câu tự luận, phải viết rõ biểu thức trước khi thay số.

Luôn kiểm tra đơn vị áp suất và đơn vị nhiệt độ trước khi bấm máy.

Đọc kỹ xem bình chứa là bình cứng hay bình có pit-tông di động.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một bình kín cứng (thể tích không đổi) dung tích

5{,}00\ \text{L}

chứa

0{,}50\ \text{mol}

\text{Ar}(g)

và

0{,}75\ \text{mol}

\text{O}_2(g)

ở

300\ \text{K}

. Sau đó người ta bơm thêm

0{,}25\ \text{mol}

\text{He}(g)

vào bình, vẫn giữ nhiệt độ ở

300\ \text{K}

. Coi các khí đều là khí lý tưởng và không phản ứng với nhau. Cho

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

aTính áp suất tổng và áp suất riêng phần của $\text{O}_2$ trước khi thêm $\text{He}$ .
bÁp suất tổng và áp suất riêng phần của $\text{O}_2$ thay đổi thế nào sau khi thêm $\text{He}$ ? Giải thích ở mức hạt.

1Bước 1: Trước hết ta tính trạng thái ban đầu bằng phương trình khí lý tưởng, vì đề đã cho đủ

n

V

và

T

. Tổng số mol khí lúc đầu là

n = 0{,}50 + 0{,}75 = 1{,}25\ \text{mol}

, nên

P_{tot} = \frac{nRT}{V} = \frac{(1{,}25)(0{,}08206)(300)}{5{,}00} = 6{,}15\ \text{atm}.

Con số này là áp suất do toàn bộ các hạt khí trong bình gây ra khi va chạm với thành bình. Nhờ đó ta có mốc để so sánh với trạng thái sau khi bơm thêm khí.

2Bước 2: Áp suất riêng phần của

\text{O}_2

được tính đúng như thể chỉ có

\text{O}_2

chiếm cả bình, vì mỗi khí trong hỗn hợp hoạt động độc lập với các khí còn lại theo định luật Dalton (Dalton's law of partial pressures). Thay số:

P_{\mathrm{O_2}} = \frac{n_{\mathrm{O_2}}RT}{V} = \frac{(0{,}75)(0{,}08206)(300)}{5{,}00} = 3{,}69\ \text{atm}.

Có thể kiểm tra lại bằng phân số mol (mole fraction):

\chi_{\mathrm{O_2}} = 0{,}75/1{,}25 = 0{,}60

và

0{,}60 \times 6{,}15 = 3{,}69\ \text{atm}

, khớp với kết quả trên.

3Bước 3: Khi thêm

0{,}25\ \text{mol}

\text{He}

, tổng số mol tăng lên

1{,}50\ \text{mol}

trong khi

V

và

T

giữ nguyên, nên

P_{tot} = \frac{(1{,}50)(0{,}08206)(300)}{5{,}00} = 7{,}39\ \text{atm}.

Áp suất tổng tăng vì mỗi giây có thêm các hạt heli đập vào thành bình, và số va chạm chứ không phải bản chất hạt mới là thứ quyết định áp suất. Vì vậy tổng áp tăng từ

6{,}15

lên

7{,}39\ \text{atm}

4Bước 4: Ngược lại, áp suất riêng phần của

\text{O}_2

hoàn toàn không đổi: số mol

\text{O}_2

vẫn là

0{,}75

, thể tích vẫn

5{,}00\ \text{L}

, nhiệt độ vẫn

300\ \text{K}

, nên

P_{\mathrm{O_2}} = 3{,}69\ \text{atm}

như cũ. Heli là khí trơ (inert gas) nên nó không lấy đi chỗ của

\text{O}_2

cũng không cản các phân tử

\text{O}_2

đập vào thành bình. Điều duy nhất giảm đi là tỉ lệ:

\chi_{\mathrm{O_2}}

tụt từ

0{,}60

xuống

0{,}75/1{,}50 = 0{,}50

, và quả thật

0{,}50 \times 7{,}39 = 3{,}69\ \text{atm}

Trước khi bơm heli, bình có áp suất tổng $6{,}15\ \text{atm}$ với phần đóng góp của $\text{O}_2$ là $3{,}69\ \text{atm}$ . Sau khi thêm $0{,}25\ \text{mol}$ $\text{He}$ ở nhiệt độ và thể tích không đổi, áp suất tổng tăng lên $7{,}39\ \text{atm}$ do có thêm hạt va chạm với thành bình, còn áp suất riêng phần của $\text{O}_2$ vẫn giữ nguyên $3{,}69\ \text{atm}$ vì $n_{\mathrm{O_2}}$ , $V$ và $T$ đều không đổi. Đây chính là ý cốt lõi: thêm khí trơ vào bình cứng làm đổi áp suất tổng nhưng không đụng gì tới áp suất riêng phần của từng khí đã có sẵn.

2Ví dụ 2/2

Cho cacbon rắn dư và khí

\text{CO}_2

vào một bình cứng dung tích

2{,}00\ \text{L}

ở

1160\ \text{K}

, xảy ra phản ứng

\text{C}(s) + \text{CO}_2(g) \rightleftharpoons 2\,\text{CO}(g)

. Ban đầu trong bình chỉ có

\text{CO}_2

với áp suất

2{,}00\ \text{atm}

. Người ta theo dõi áp suất tổng và thấy nó tăng dần rồi ổn định ở

3{,}10\ \text{atm}

; khi đó trong bình vẫn còn

\text{C}(s)

. Cho

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

aTính áp suất riêng phần của $\text{CO}_2$ và $\text{CO}$ lúc cân bằng.
bTính $K_p$ của phản ứng ở $1160\ \text{K}$ .
cTính số mol $\text{CO}$ có trong bình lúc cân bằng.

1Bước 1: 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 trên áp suất thay vì trên nồng độ. Gọi

x

là độ giảm áp suất của

\text{CO}_2

tính bằng atm; theo hệ số tỉ lượng,

\text{CO}

sinh ra với áp suất

2x

. Lúc cân bằng ta có

P_{\mathrm{CO_2}} = 2{,}00 - x

và

P_{\mathrm{CO}} = 2x

. Cacbon là chất rắn nên không có áp suất riêng phần và không xuất hiện trong bảng.

2Bước 2: Áp suất tổng luôn bằng tổng các áp suất riêng phần, do đó

P_{tot} = (2{,}00 - x) + 2x = 2{,}00 + x = 3{,}10 \Rightarrow x = 1{,}10\ \text{atm}.

Thay ngược lại:

P_{\mathrm{CO_2}} = 2{,}00 - 1{,}10 = 0{,}90\ \text{atm}

và

P_{\mathrm{CO}} = 2(1{,}10) = 2{,}20\ \text{atm}

. Kiểm tra nhanh:

0{,}90 + 2{,}20 = 3{,}10\ \text{atm}

, đúng bằng số liệu đo được. Áp suất tổng tăng lên là hợp lý vì cứ một phân tử khí mất đi thì có hai phân tử khí sinh ra.