AP Chemistry

chất khí

gas

Còn gọi: pha khí · trạng thái khí · gas phase

Chất khí là trạng thái vật chất mà các hạt chuyển động tự do, không có hình dạng hay thể tích xác định, lấp đầy toàn bộ bình chứa.

Chất khí là một trong ba trạng thái vật chất phổ biến, cùng với chất rắn và chất lỏng. Ở trạng thái này, các hạt cấu thành — nguyên tử hoặc phân tử — ở cách nhau rất xa so với kích thước bản thân chúng, và lực tương tác giữa các hạt gần như không đáng kể. Do đó, mỗi hạt chuyển động gần như độc lập, liên tục va chạm với nhau và với thành bình.

Vì lực liên phân tử quá yếu, chất khí không tự duy trì được hình dạng hay thể tích riêng. Ngược lại với chất rắn hay chất lỏng, một lượng khí nhất định sẽ tự động giãn nở để lấp kín hoàn toàn bình chứa, bất kể bình có kích thước hay hình dạng như thế nào. Nhờ đó, hai đại lượng đặc trưng quan trọng nhất để mô tả trạng thái của một mẫu khí chính là áp suất và nhiệt độ, thay vì hình học của bình chứa.

Đối với khí lý tưởng (ideal gas), hành vi của chất khí được tóm gọn trong phương trình trạng thái:

$PV = nRT$

trong đó $P$ là áp suất, $V$ là thể tích, $n$ là số mol, $R$ là hằng số khí lý tưởng, và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối. Phương trình này phát biểu rằng ở một nhiệt độ nhất định, áp suất và thể tích của khí tỉ lệ nghịch với nhau khi lượng chất không đổi. Tuy nhiên, khí thực sẽ có sai lệch so với mô hình lý tưởng khi áp suất rất cao hoặc nhiệt độ rất thấp, do lúc này lực tương tác giữa các phân tử và thể tích bản thân của chúng không thể bỏ qua được nữa.

Ký hiệu

PV = nRT

, trong đó

P

là áp suất (Pa hoặc atm),

V

là thể tích (L hoặc m³),

n

là số mol,

R = 8{,}314\ \text{J mol}^{-1}\text{K}^{-1}

T

là nhiệt độ (K).

Đơn vịÁp suất: Pa, atm, mmHg; Thể tích: L, m³; Nhiệt độ: K

Trực giác: Chất khí giống như một đám học sinh được thả vào sân trường rộng — mỗi người tự chạy lung tung và tự động trải đều khắp sân, không ai đứng yên một chỗ cố định.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

đầu thế kỷ 17Jan Baptist van HelmontParacelsusAmedeo AvogadroStanislao Cannizzaro

Từ "gas" do nhà hóa học Jan Baptist van Helmont, người vùng Brabant thuộc Nam Hà Lan, đặt ra vào đầu thế kỷ 17 khi ông nhận ra tồn tại một chất khí khác với không khí. Chất đó chính là khí carbonic mà ông tách được, và đây là chất khí đầu tiên được con người xác định riêng biệt.

Hay hiểu sai

Nhiệt độ trong định luật khí lý tưởng luôn phải đổi sang thang Kelvin.

Thể tích mol $22.4\ \mathrm{L}$ chỉ đúng ở $0\ ^\circ\mathrm{C}$ và $1\ \mathrm{atm}$ .

Cấu hình electron kiểu $ns^2np^6$ không có nghĩa hạt đó là khí hiếm (noble gas).

Ở cùng nhiệt độ, mọi chất khí có động năng trung bình bằng nhau, không phụ thuộc khối lượng mol.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh khảo sát tính chất của kim loại E, biết rằng E tạo ion có điện tích

2+

. Học sinh cho

0{,}520\ \text{g}

kim loại E phản ứng hoàn toàn với dung dịch

\text{HCl}

dư theo phương trình

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

. Khí hiđro sinh ra được thu bằng phương pháp dời chỗ nước. Sau khi cân bằng mực nước trong và ngoài ống thu, học sinh đo được thể tích khí là

205\ \text{mL}

ở

25{,}0\ ^\circ\text{C}

, áp suất khí quyển trong phòng là

745{,}0\ \text{torr}

. Áp suất hơi nước bão hòa (vapor pressure) ở

25{,}0\ ^\circ\text{C}

là

23{,}8\ \text{torr}

aTính áp suất của khí hiđro trong ống thu, tính theo atm.
bTính số mol khí hiđro thu được.
cTính khối lượng mol của E và xác định E là nguyên tố nào.
d

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 “Chất rắn, chất lỏng và chất khí” — khoá AP Chemistry

Cần trướccác trạng thái vật chất (sắp có)

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

chất lỏngliquid

Khác nhau ở đâuChất khí không có thể tích xác định, nén được và chiếm hết bình chứa. Chất lỏng có thể tích xác định nhưng hình dạng phụ thuộc bình đựng.

Hay nhầm khiĐề hỏi vì sao khí nén được còn lỏng thì gần như không, hoặc so sánh khoảng cách giữa các hạt trong hai trạng thái.

hơivapor

Khác nhau ở đâuChất khí là trạng thái bền của chất ở điều kiện thường. Hơi là pha khí của chất vốn tồn tại dạng lỏng hoặc rắn ở nhiệt độ phòng.

Hay nhầm khiBài về áp suất hơi của nước hay bài thu khí trên nước, khi phải trừ áp suất hơi nước khỏi áp suất tổng.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 2, 11, 14.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe cụt lủn ấy thực ra là một từ Hy Lạp cổ được chép lại theo âm đọc: χάος, tức "chaos" — sự hỗn mang. Trong tiếng Hà Lan, chữ g phát âm giống ch trong "loch", nên khi van Helmont viết "gas" thì ông đang ghi lại chính âm của "chaos" bằng chữ cái quê nhà. Do đó từ này không phải sáng tạo từ hư không, mà nối tiếp cách dùng đã có trong giả kim thuật (alchemy), lần đầu thấy ở các trước tác của Paracelsus; với Paracelsus, "chaos" mang nghĩa đại loại là thứ nước loãng đến cực độ. Nhờ đó cái tên vừa gợi được sự không hình dạng, không biên giới của trạng thái khí, vừa giữ liên hệ với truyền thống cũ. Tiếng Anh sau này mượn thẳng từ tiếng Hà Lan mà không đổi mặt chữ. Phải mất thêm hai thế kỷ, tính chất định lượng của chất khí mới được làm rõ: năm 1811 Amedeo Avogadro khẳng định những thể tích bằng nhau của các khí tinh khiết chứa cùng số hạt, nhưng ý tưởng này chỉ được chấp nhận rộng rãi từ năm 1858 nhờ Stanislao Cannizzaro. Tên ông về sau được đặt cho hằng số Avogadro (Avogadro constant), $6{,}022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}$ — số hạt trong một mol chất; ở điều kiện tiêu chuẩn, lượng hạt đó chiếm thể tích mol (molar volume) khoảng $22{,}40\ \mathrm{L}$ .

1Bước 1: Khí thu trên mặt nước không bao giờ là khí khô. Bên trong ống luôn có hơi nước bay lên hòa lẫn với hiđro, nên áp suất mà áp kế phòng thí nghiệm đo được là tổng của hai phần. Theo định luật Dalton, mỗi chất khí trong hỗn hợp góp một áp suất riêng phần (partial pressure) và các phần này cộng lại thành áp suất tổng:

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

. Vì học sinh đã cân bằng mực nước trong và ngoài ống, áp suất tổng bên trong đúng bằng áp suất khí quyển

745{,}0\ \text{torr}

2Bước 2: Từ đó suy ra phần đóng góp của riêng hiđro:

P_{\text{H}_2} = 745{,}0 - 23{,}8 = 721{,}2\ \text{torr}

. Đổi sang atm để dùng chung đơn vị với hằng số

R

P_{\text{H}_2} = \frac{721{,}2}{760} = 0{,}9490\ \text{atm}

Con số này là đáp án của ý (a); nó cho biết nếu tách hết hơi nước ra thì riêng hiđro sẽ ép lên thành ống một áp suất bằng

0{,}9490

atm.

3Bước 3: Có áp suất, thể tích và nhiệt độ thì số mol được suy ra ngay từ phương trình trạng thái khí lý tưởng

PV = nRT

. Cần nhớ đổi

205\ \text{mL} = 0{,}205\ \text{L}

và

25{,}0\ ^\circ\text{C} = 298{,}15\ \text{K}

, vì công thức chỉ đúng với nhiệt độ tuyệt đối. Thay số:

n_{\text{H}_2} = \frac{PV}{RT} = \frac{(0{,}9490)(0{,}205)}{(0{,}08206)(298{,}15)} = \frac{0{,}19453}{24{,}466} = 7{,}95\times10^{-3}\ \text{mol}

Vậy phản ứng đã sinh ra khoảng

7{,}95

mmol khí hiđro.

4Bước 4: Hệ số trong phương trình cho thấy một mol E tạo đúng một mol

\text{H}_2

, nên số mol kim loại đã phản ứng cũng là

7{,}95\times10^{-3}\ \text{mol}

. Chia khối lượng cân được cho số mol này ta có khối lượng mol:

M_{\text{E}} = \frac{0{,}520\ \text{g}}{7{,}95\times10^{-3}\ \text{mol}} = 65{,}4\ \text{g/mol}

Tra bảng tuần hoàn, giá trị

65{,}4\ \text{g/mol}

ứng với kẽm, và kẽm đúng là kim loại tạo ion

\text{Zn}^{2+}

như đề đã cho. Vậy E là

\text{Zn}

5Bước 5: Với ý (d), hãy lần theo dây chuyền ảnh hưởng thay vì đoán. Nếu không trừ

23{,}8\ \text{torr}

, học sinh dùng

P = 745{,}0\ \text{torr} = 0{,}9803\ \text{atm}

, tức là gán cho hiđro một áp suất lớn hơn thực tế; theo

n = PV/RT

thì số mol tính được cũng lớn hơn, cụ thể là

8{,}21\times10^{-3}\ \text{mol}

. Nhưng khối lượng

0{,}520\ \text{g}

vẫn giữ nguyên, mà mẫu số lớn lên thì thương nhỏ đi:

M = 0{,}520/8{,}21\times10^{-3} = 63{,}3\ \text{g/mol}

. Do đó khối lượng mol tính được sẽ nhỏ hơn giá trị thật.

2Ví dụ 2/2

Xét bốn cấu hình electron của các nguyên tử trung hòa ở trạng thái cơ bản: (I)

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5

, (II)

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6

, (III)

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2

, (IV)

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^3

. Biết nhiệt độ sôi của

\text{Ne}

là

27\ \text{K}

còn của

\text{Xe}

là

165\ \text{K}

aCấu hình nào ứng với một khí hiếm? Giải thích ngắn gọn.
bGiải thích vì sao cả neon và xenon đều là chất khí ở $25\ ^\circ\text{C}$ , nhưng nhiệt độ sôi của xenon lại cao hơn hẳn.

1Bước 1: Dấu hiệu nhận biết một khí hiếm (noble gas) là lớp electron ngoài cùng đã bão hòa, nghĩa là cả phân lớp

ns

lẫn phân lớp

np

đều đầy. Cấu hình (I) mới có

3p^5

nên còn thiếu một electron, đó là clo; cấu hình (III) đã sang lớp thứ tư với

4s^2

nên là canxi; cấu hình (IV) dừng ở

4p^3

nên là asen. Chỉ có (II) kết thúc bằng

3s^2 3p^6

, tổng cộng tám electron ở lớp ngoài cùng, và đó là argon.

2Bước 2: Từ cấu hình này suy ra được tính chất vật lý của cả nhóm. Vì lớp ngoài cùng đã đủ, nguyên tử khí hiếm gần như không có xu hướng góp chung electron để tạo liên kết, nên chúng tồn tại dưới dạng nguyên tử riêng lẻ chứ không thành phân tử hai nguyên tử như

\text{O}_2

hay

\text{N}_2

. Các nguyên tử độc lập đó chỉ hút nhau bằng lực yếu nhất trong các lực liên phân tử, tức lực phân tán London (London dispersion forces). Nhờ lực hút quá yếu so với động năng chuyển động nhiệt ở nhiệt độ phòng, chúng tách rời nhau và tồn tại ở thể khí.

3Bước 3: Tuy nhiên, yếu không có nghĩa là bằng nhau. Độ mạnh của lực phân tán tăng theo độ khả phân cực của đám mây electron, mà đám mây này càng lớn và càng lỏng lẻo khi nguyên tử có nhiều electron hơn. Xenon có

54

electron trải trên năm lớp, trong khi neon chỉ có

10

electron trong hai lớp, nên các nguyên tử xenon hút nhau mạnh hơn nhiều. Vì vậy cần cung cấp nhiều năng lượng hơn để tách chúng ra khỏi thể lỏng, và nhiệt độ sôi

165\ \text{K}

của xenon cao hơn hẳn

27\ \text{K}

của neon.

Cấu hình (II), $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6$ , là cấu hình của một khí hiếm vì lớp ngoài cùng đã bão hòa tám electron; đó chính là argon. Cả neon và xenon đều ở thể khí tại $25\ ^\circ\text{C}$ do chúng tồn tại dưới dạng nguyên tử đơn lẻ chỉ hút nhau bằng lực phân tán yếu. Nhưng vì xenon có nhiều electron hơn nên đám mây electron dễ bị phân cực hơn, lực hút giữa các nguyên tử mạnh hơn, và nhiệt độ sôi của nó cao hơn neon khoảng sáu lần.