Áp suất riêng phần (Partial pressure)

Giải thích và Công thức

Hãy tưởng tượng một bình chứa hỗn hợp nhiều loại khí khác nhau, ví dụ như nitơ (N₂), oxy (O₂) và carbon dioxide (CO₂). Mỗi loại khí này đều chuyển động tự do bên trong bình và va chạm vào thành bình, tạo ra áp suất. Áp suất riêng phần của mỗi khí chính là áp suất mà khí đó tạo ra khi “bỏ qua” sự hiện diện của các khí khác. Về cơ bản, áp suất riêng phần phản ánh số lượng phân tử của một loại khí cụ thể trong hỗn hợp và tần suất va chạm của chúng lên thành bình.

Định luật Dalton về áp suất riêng phần phát biểu rằng tổng áp suất của một hỗn hợp khí lý tưởng bằng tổng áp suất riêng phần của từng khí trong hỗn hợp. Công thức được biểu diễn như sau:

$P_{tổng} = P_1 + P_2 + P_3 + … + P_n$

Trong đó:

• $P_{tổng}$ là tổng áp suất của hỗn hợp khí.
• $P_1, P_2, P_3, …, P_n$ là áp suất riêng phần của từng khí trong hỗn hợp.

Mối liên hệ giữa áp suất riêng phần ($P_i$), mol phân số ($Xi$) và tổng áp suất ($P{tổng}$) được thể hiện qua công thức:

$P_i = Xi \times P{tổng}$

Trong đó:

• $P_i$ là áp suất riêng phần của khí thứ i.
• $X_i$ là mol phân số của khí thứ i (tỷ lệ số mol của khí i trên tổng số mol của tất cả các khí trong hỗn hợp).
• $P_{tổng}$ là tổng áp suất của hỗn hợp khí.

Ví dụ

Một bình chứa hỗn hợp khí gồm 2 mol nitơ và 3 mol oxy với tổng áp suất là 5 atm. Áp suất riêng phần của nitơ và oxy được tính như sau:

• Mol phân số của nitơ: $X_{N_2} = \frac{2}{2+3} = 0.4$
• Mol phân số của oxy: $X_{O_2} = \frac{3}{2+3} = 0.6$
• Áp suất riêng phần của nitơ: $P_{N_2} = 0.4 \times 5 = 2$ atm
• Áp suất riêng phần của oxy: $P_{O_2} = 0.6 \times 5 = 3$ atm

Ta thấy tổng áp suất riêng phần của nitơ và oxy bằng tổng áp suất của hỗn hợp: $2 + 3 = 5$ atm.

Ứng dụng và Ảnh hưởng của các yếu tố khác

Khái niệm áp suất riêng phần được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Hóa học: Nghiên cứu các phản ứng hóa học involving khí, đặc biệt là các phản ứng ở trạng thái cân bằng.
• Sinh học: Nghiên cứu quá trình hô hấp, vận chuyển oxy và carbon dioxide trong máu.
• Khí tượng: Dự báo thời tiết, phân tích thành phần không khí và các hiện tượng khí quyển.
• Kỹ thuật: Thiết kế các hệ thống xử lý khí, điều khiển môi trường, và các quá trình công nghiệp liên quan đến khí.
• Lặn biển: Tính toán áp suất riêng phần của các khí trong hỗn hợp khí thở để tránh ngộ độc khí nitơ hoặc oxy.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thể tích

Áp suất riêng phần của một khí, giống như áp suất tổng quát, bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thể tích. Nếu nhiệt độ tăng (ở thể tích không đổi), áp suất riêng phần của mỗi khí, và do đó tổng áp suất, cũng sẽ tăng. Tương tự, nếu thể tích giảm (ở nhiệt độ không đổi), áp suất riêng phần và tổng áp suất sẽ tăng. Những mối quan hệ này được mô tả bởi định luật khí lý tưởng:

$PV = nRT$

Trong đó:

• $P$ là áp suất
• $V$ là thể tích
• $n$ là số mol khí
• $R$ là hằng số khí lý tưởng
• $T$ là nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin)

Đối với một khí riêng lẻ trong hỗn hợp, ta có thể viết:

$P_iV = n_iRT$

Trong đó $P_i$ và $n_i$ lần lượt là áp suất riêng phần và số mol của khí thứ i.

Độ ẩm và áp suất hơi nước

Một ứng dụng quan trọng của áp suất riêng phần là trong việc hiểu độ ẩm. Áp suất hơi nước là áp suất riêng phần của nước trong không khí. Độ ẩm tương đối, một đại lượng thường được sử dụng để mô tả độ ẩm trong không khí, là tỷ lệ giữa áp suất hơi nước thực tế và áp suất hơi nước bão hòa ở cùng nhiệt độ, thường được biểu thị dưới dạng phần trăm.

Khí hòa tan trong chất lỏng

Định luật Henry mô tả mối quan hệ giữa áp suất riêng phần của một khí trên bề mặt chất lỏng và nồng độ của khí hòa tan trong chất lỏng. Định luật này phát biểu rằng ở nhiệt độ không đổi, nồng độ của một khí hòa tan trong chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của khí đó trên bề mặt chất lỏng:

$C = kP$

Trong đó:

• $C$ là nồng độ của khí hòa tan trong chất lỏng
• $k$ là hằng số Henry (phụ thuộc vào loại khí và chất lỏng)
• $P$ là áp suất riêng phần của khí trên bề mặt chất lỏng.

Hạn chế của Định luật Dalton

Định luật Dalton chỉ áp dụng chính xác cho khí lý tưởng. Ở áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp, khi các phân tử khí ở gần nhau hơn, tương tác giữa các phân tử trở nên đáng kể và định luật Dalton không còn chính xác nữa. Trong những trường hợp này, cần sử dụng các phương trình trạng thái phức tạp hơn để tính toán áp suất riêng phần.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để tính toán áp suất riêng phần của một khí trong hỗn hợp khi biết số mol của tất cả các khí và tổng áp suất?

Trả lời: Sử dụng công thức $P_i = Xi \times P{tổng}$, trong đó $P_i$ là áp suất riêng phần của khí thứ i, $X_i$ là mol phân số của khí thứ i (tính bằng $ni / n{tổng}$, với $ni$ là số mol khí thứ i và $n{tổng}$ là tổng số mol của tất cả các khí), và $P_{tổng}$ là tổng áp suất.

Sự khác biệt giữa áp suất riêng phần và áp suất khí quyển là gì?

Trả lời: Áp suất khí quyển là tổng áp suất của tất cả các khí trong khí quyển, trong khi áp suất riêng phần là áp suất của một khí cụ thể trong hỗn hợp khí đó. Áp suất riêng phần của một khí trong khí quyển đóng góp vào tổng áp suất khí quyển.

Tại sao định luật Dalton chỉ áp dụng cho khí lý tưởng?

Trả lời: Định luật Dalton giả định rằng không có tương tác giữa các phân tử khí. Điều này chỉ đúng đối với khí lý tưởng. Đối với khí thực, đặc biệt là ở áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp, tương tác giữa các phân tử trở nên đáng kể, làm cho định luật Dalton kém chính xác hơn.

Làm thế nào để áp suất riêng phần ảnh hưởng đến độ hòa tan của khí trong chất lỏng?

Trả lời: Định luật Henry mô tả mối quan hệ này. Định luật này nói rằng ở nhiệt độ không đổi, nồng độ của một khí hòa tan trong chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của khí đó phía trên bề mặt chất lỏng.

Áp suất riêng phần có vai trò gì trong việc hiểu về hiện tượng sôi của chất lỏng?

Trả lời: Một chất lỏng sẽ sôi khi áp suất hơi của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên bề mặt chất lỏng. Trong một hỗn hợp khí phía trên bề mặt chất lỏng, áp suất riêng phần của hơi chất lỏng đóng góp vào tổng áp suất bên ngoài. Do đó, áp suất riêng phần ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi của chất lỏng. Nếu áp suất riêng phần của hơi chất lỏng thấp, chất lỏng sẽ sôi ở nhiệt độ cao hơn.