AP Chemistry

atmosphere

Còn gọi: atm

Atmosphere là đơn vị áp suất bằng áp suất khí quyển tiêu chuẩn ở mực nước biển, ký hiệu atm.

Atmotphe (atmosphere), ký hiệu atm, là một đơn vị đo áp suất được định nghĩa ban đầu dựa trên áp suất mà khí quyển Trái Đất gây ra ở mực nước biển. Trong lịch sử, các nhà khoa học đã sử dụng cột thủy ngân trong ống Torricelli để đo lường đại lượng này, và họ nhận thấy ở điều kiện tiêu chuẩn, cột thủy ngân dâng cao đúng 760 milimét. Do đó, một atmotphe được xác định chính xác bằng áp suất của cột thủy ngân cao 760 mmHg khi khối lượng riêng của thủy ngân là $13{,}5951 \text{ g/cm}^3$ và gia tốc trọng trường là $9{,}80665 \text{ m/s}^2$ .

Từ định nghĩa lịch sử đó, ngành hóa học hiện đại đã chuẩn hóa đơn vị này để phục vụ cho các tính toán nhiệt động lực học (thermodynamics) và phương trình khí lý tưởng. Mối liên hệ giữa atmotphe và các đơn vị áp suất khác được biểu diễn qua hệ thức $1 \text{ atm} = 760 \text{ mmHg} = 101{,}325 \text{ Pa}$ . Nhờ đó, khi giải các bài toán liên quan đến trạng thái của chất khí, thí sinh có thể dễ dàng chuyển đổi áp suất từ đơn vị mmHg thường gặp trong phòng thí nghiệm sang đơn vị atm để đồng bộ với hằng số khí (gas constant) $R = 0{,}08206 \text{ L}\cdot\text{atm}/(\text{mol}\cdot\text{K})$ .

Tuy nhiên, trong thực tế đo đạc, áp suất khí quyển hiếm khi duy trì đúng một atmotphe do sự thay đổi của độ cao và điều kiện thời tiết. Vì vậy, các nhà hóa học đã thiết lập khái niệm áp suất tiêu chuẩn để làm mốc so sánh cho các thể tích và nhiệt độ (temperature) khác nhau. Việc nắm vững đơn vị này giúp học sinh không chỉ tính toán chính xác số mol khí sinh ra trong phản ứng (reaction), mà còn hiểu được bản chất vật lý đằng sau những con số trong đề thi.

Ký hiệu

1 \text{ atm}

Đơn vị$\text{atm}$, $\text{mmHg}$, $\text{Pa}$

Trực giác: Hãy tưởng tượng bạn đang lặn sâu dưới biển, càng xuống sâu áp lực nước càng đè nặng lên người; bầu khí quyển Trái Đất cũng là một "biển khí" khổng lồ đè lên mặt đất với một lực tương tự.

Công thức

1 \text{ atm} = \rho g h

Dùng để liên hệ định nghĩa 1 atm với áp suất thủy tĩnh của cột thủy ngân cao 760 mm trong điều kiện tiêu chuẩn.

Trong đó

\rho

khối lượng riêng của thủy ngân —

\text{g/cm}^3

g

gia tốc trọng trường —

\text{m/s}^2

h

chiều cao cột thủy ngân —

\text{mm}

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1638John WilkinsWillebrord SnelliusSimon StevinJohn Dalton

Từ "atmosphere" được nhà tự nhiên học người Anh John Wilkins đưa vào tiếng Anh năm 1638, khi ông cần một tên gọi cho lớp khí bao quanh Mặt Trăng; trước đó Willebrord Snellius đã đặt ra từ tương ứng trong bản dịch tiếng Latin các trước tác về vũ trụ của Simon Stevin.

Hay hiểu sai

Atmosphere là đơn vị áp suất, không phải "lớp không khí" trong mọi ngữ cảnh.

Dùng $R=8.314$ khi áp suất tính bằng atm là sai đơn vị.

Nguyên tử Cl trong cơ chế phá hủy ozone là chất xúc tác, không phải chất trung gian.

Đồ thị $1/[\text{A}]$ theo thời gian là đường thẳng thì bậc hai, và định luật tốc độ là $k[\text{A}]^2$ .

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Ozone ở tầng khí quyển trên (upper atmosphere) hấp thụ tia tử ngoại và bảo vệ sinh vật trên mặt đất. Người ta đề xuất cơ chế sau để giải thích sự phá hủy

\text{O}_3

khi có mặt nguyên tử clo sinh ra từ các hợp chất CFC:

\text{Bước 1 (chậm)}: \ \text{O}_3(g) + \text{Cl}(g) \rightarrow \text{O}_2(g) + \text{ClO}(g)

\text{Bước 2 (nhanh)}: \ \text{ClO}(g) + \text{O}(g) \rightarrow \text{O}_2(g) + \text{Cl}(g)

aViết phương trình tổng cộng của phản ứng, rồi chỉ rõ đâu là chất xúc tác và đâu là chất trung gian.
bViết biểu thức định luật tốc độ phù hợp với cơ chế trên và giải thích vì sao $[\text{O}]$ không xuất hiện trong biểu thức đó.
cCơ chế tổng quát $\text{X} + \text{O}_3 \rightarrow \text{XO} + \text{O}_2$ và $\text{XO} + \text{O}_3 \rightarrow \text{X} + 2\,\text{O}_2$ cũng đúng với nhiều loài khác. Trong bốn loài $\text{N}_2$ , $\text{NO}$ , $\text{CO}_2$ , $\text{H}_2\text{O}$ , loài nào có khả năng phân hủy $\text{O}_3$ theo cơ chế này nhất?

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 trướcáp suất

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

bar (bar)bar

Khác nhau ở đâuMột atmosphere bằng 1,01325 bar, xấp xỉ nhưng không trùng. Đổi đúng phải dùng 1 atm = 101 325 Pa, không làm tròn thành 1 bar.

Hay nhầm khiĐề cho áp suất theo cả atm lẫn bar, học sinh quên hệ số 1,01325 nên kết quả lệch.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 18–19, 24.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi ghép từ tiếng Hy Lạp cổ ἀτμός (atmós) nghĩa là "hơi, hơi nước" và σφαῖρα (sphaîra) nghĩa là "quả cầu": đúng nghĩa đen là "quả cầu hơi" bao lấy một thiên thể. Cách đặt tên này phản ánh hình dung của người thế kỷ 17, rằng không khí là một lớp vỏ cầu bám quanh hành tinh nhờ trọng lực, chứ chưa phải là ý niệm về một hỗn hợp các chất khí có thành phần xác định. Điều khiến người học AP Chemistry bối rối là vì sao một từ thiên văn lại trở thành đơn vị đo áp suất (pressure). Lý do nằm ở chỗ thực nghiệm: mốc so sánh tự nhiên và sẵn có nhất chính là sức ép của toàn bộ cột không khí phía trên ta ở mực nước biển. Do đó "một atmosphere" ban đầu chỉ có nghĩa "bằng đúng cái mà bầu khí quyển đè lên ta", rồi về sau được cố định thành một con số quy ước: $1\ \text{atm} = 101{,}325\ \text{Pa} \approx 14.7\ \text{psi}$ Công thức này nói rằng đơn vị atm không còn phụ thuộc vào thời tiết hay địa điểm nữa, mà đã được định nghĩa cứng bằng đơn vị SI. Nhờ đó cùng một chữ "atmosphere" mang hai nghĩa song song trong đề thi: lớp khí quyển của một thiên thể, và đơn vị áp suất chuẩn (standard atmosphere) dùng trong các bài toán khí lý tưởng.

1Bước 1: Cộng hai bước lại và triệt tiêu những gì xuất hiện ở cả hai vế. Vế trái có

\text{O}_3 + \text{Cl} + \text{ClO} + \text{O}

, vế phải có

2\,\text{O}_2 + \text{ClO} + \text{Cl}

; bỏ đi

\text{Cl}

và

\text{ClO}

ta được

\text{O}_3(g) + \text{O}(g) \rightarrow 2\,\text{O}_2(g)

Đây chính là phản ứng tổng cộng, và nó cho thấy hai dạng oxy hoạt động của tầng bình lưu bị chuyển hết thành

\text{O}_2

bền.

2Bước 2: Phân biệt hai vai trò dựa vào thứ tự xuất hiện. Nguyên tử

\text{Cl}

được tiêu thụ ở bước đầu rồi được tái tạo ở bước sau, nên nó là chất xúc tác (catalyst); ngược lại

\text{ClO}

được sinh ra trước rồi bị tiêu thụ sau, nên nó là chất trung gian (reaction intermediate). Vì

\text{Cl}

quay trở lại nguyên vẹn, một nguyên tử clo duy nhất có thể phá hủy hàng chục nghìn phân tử

\text{O}_3

trước khi bị loại khỏi chu trình.

3Bước 3: Định luật tốc độ được viết theo bước chậm nhất, tức bước quyết định tốc độ (rate-determining step). Bước 1 là phản ứng cơ bản lưỡng phân tử giữa

\text{O}_3

và

\text{Cl}

, do đó

\text{rate} = k[\text{O}_3][\text{Cl}]

Nồng độ

[\text{O}]

không có mặt vì nguyên tử oxy chỉ tham gia ở bước 2, mà bước nhanh xảy ra sau bước chậm thì không kiểm soát tốc độ chung: dù

[\text{O}]

tăng hay giảm, tốc độ tổng vẫn bị giới hạn bởi tần suất va chạm ở bước đầu.

4Bước 4: Muốn tách một nguyên tử oxy khỏi

\text{O}_3

một cách dễ dàng, loài X phải rất hoạt động, nghĩa là phải có electron độc thân — tức là một gốc tự do (free radical). Đếm electron hóa trị:

\text{N}_2

\text{CO}_2

và

\text{H}_2\text{O}

đều có số electron chẵn và ghép đôi hết trong các cấu trúc Lewis bền, nên chúng trơ với ozone. Riêng

\text{NO}

có tổng cộng 11 electron hóa trị nên bắt buộc còn một electron độc thân; vì vậy

\text{NO}

là loài phù hợp, đúng như thực tế khí thải động cơ phản lực gây hại cho tầng ozone.

2Ví dụ 2/2

Chữ "atmosphere" còn là tên một đơn vị áp suất:

1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} = 101{,}325\ \text{kPa}

. Một khinh khí cầu thời tiết đàn hồi được bơm

0{,}50\ \text{mol}

khí

\text{He}

. Trên mặt đất, điều kiện là

1{,}00\ \text{atm}

và

298\ \text{K}

; khi bay lên độ cao 10 km, áp suất khí quyển giảm còn

0{,}26\ \text{atm}

và nhiệt độ chỉ còn

223\ \text{K}

. Cho

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

aĐổi áp suất $0{,}26\ \text{atm}$ sang mmHg và kPa.
bTính thể tích khinh khí cầu ở mặt đất và ở độ cao 10 km, rồi cho biết bóng nở ra gấp bao nhiêu lần.

1Bước 1: Đổi đơn vị bằng hệ số quy đổi. Ta có

0{,}26 \times 760 = 197{,}6 \approx 2{,}0 \times 10^2\ \text{mmHg}

và

0{,}26 \times 101{,}325 = 26{,}3 \approx 26\ \text{kPa}

. Con số nhỏ hơn 1 atm này phản ánh đúng điều đã biết: càng lên cao, cột không khí phía trên càng mỏng nên áp suất càng giảm.

2Bước 2: Vì bóng đàn hồi nên áp suất bên trong luôn cân bằng với áp suất bên ngoài, và số mol khí không đổi. Áp dụng phương trình khí lý tưởng (ideal gas law) dưới dạng

V = nRT/P

cho điều kiện mặt đất:

V_1 = \frac{(0{,}50)(0{,}08206)(298)}{1{,}00} = 12{,}2\ \text{L}

Đơn vị atm của

P

khớp với đơn vị atm trong

R

, nên kết quả ra thẳng lít mà không cần chuyển đổi thêm.

3Bước 3: Lặp lại phép tính với điều kiện ở độ cao 10 km:

V_2 = \frac{(0{,}50)(0{,}08206)(223)}{0{,}26} = 35{,}2\ \text{L}

Tỉ lệ nở ra là

35{,}2/12{,}2 = 2{,}9

lần. Nhiệt độ giảm có xu hướng làm bóng co lại, nhưng áp suất giảm gần bốn lần mới là yếu tố áp đảo, do đó hiệu ứng tổng vẫn là bóng phồng to.

Áp suất ở độ cao 10 km là $0{,}26\ \text{atm}$ , tương đương khoảng $2{,}0 \times 10^2\ \text{mmHg}$ hay $26\ \text{kPa}$ . Thể tích khinh khí cầu tăng từ $12{,}2\ \text{L}$ ở mặt đất lên $35{,}2\ \text{L}$ ở độ cao đó, tức nở ra khoảng 2,9 lần; đây chính là lý do người ta bơm bóng thời tiết khá xẹp lúc thả để nó không vỡ khi lên cao.