Định luật Dalton về áp suất riêng phần (Dalton’s Law of Partial Pressures)

Nói cách khác, nếu ta có một hỗn hợp khí chứa các khí A, B, C,… thì áp suất tổng cộng ($P_{tổng}$) của hỗn hợp được tính bằng:

$P_{tổng} = P_A + P_B + P_C + …$

trong đó $P_A$, $P_B$, $P_C$,… lần lượt là áp suất riêng phần của khí A, B, C,…

Giải thích:

Định luật Dalton dựa trên giả thiết rằng các phân tử khí trong hỗn hợp lý tưởng không tương tác với nhau. Do đó, mỗi khí hoạt động độc lập và gây ra áp suất riêng phần của nó lên thành bình chứa, bất kể sự hiện diện của các khí khác. Tổng áp suất đo được chính là tổng áp lực tác động lên thành bình từ tất cả các phân tử khí.

Công thức liên quan

Áp suất riêng phần của mỗi khí có thể được tính bằng cách sử dụng phân số mol (ký hiệu là $X_i$ cho khí thứ $i$) của khí đó trong hỗn hợp nhân với tổng áp suất:

$P_i = Xi \times P{tổng}$

trong đó:

• $P_i$ là áp suất riêng phần của khí $i$
• $X_i$ là phân số mol của khí $i$ ($X_i = \frac{ni}{n{tổng}}$, với $ni$ là số mol của khí $i$ và $n{tổng}$ là tổng số mol của tất cả các khí trong hỗn hợp)
• $P_{tổng}$ là tổng áp suất của hỗn hợp khí.

Ứng dụng

Định luật Dalton có nhiều ứng dụng trong thực tế, bao gồm:

• Lặn biển: Áp suất riêng phần của các khí trong không khí thở dưới nước rất quan trọng để tránh các vấn đề sức khỏe như bệnh giảm áp. Việc tính toán áp suất riêng phần của oxy và nitơ ở độ sâu khác nhau giúp thợ lặn xác định thời gian lặn an toàn và tránh nguy cơ ngộ độc nitơ.
• Khí quyển: Áp suất khí quyển là tổng áp suất riêng phần của nitơ, oxy, argon và các khí khác. Việc hiểu về áp suất riêng phần của các khí trong khí quyển rất quan trọng trong các lĩnh vực như khí tượng học và hàng không.
• Hóa học: Định luật Dalton được sử dụng để tính toán áp suất riêng phần của các chất phản ứng và sản phẩm trong các phản ứng hóa học involving khí. Điều này giúp kiểm soát và tối ưu hóa các quá trình hóa học.
• Y học: Định luật Dalton được sử dụng để hiểu rõ hơn về sự trao đổi khí trong phổi. Việc đo áp suất riêng phần của oxy và carbon dioxide trong máu giúp đánh giá chức năng hô hấp và chẩn đoán các bệnh liên quan.

Giới hạn

Định luật Dalton chỉ áp dụng chính xác cho hỗn hợp khí lý tưởng. Trong điều kiện áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp, khi các phân tử khí gần nhau hơn và tương tác mạnh hơn, định luật Dalton sẽ không còn chính xác. Sự sai lệch này là do các phân tử khí thực có thể tích hữu hạn và có lực hút giữa chúng, những yếu tố mà mô hình khí lý tưởng bỏ qua.

Ví dụ minh họa

Giả sử ta có một hỗn hợp khí chứa 2 mol khí nitơ ($N_2$) và 3 mol khí oxy ($O_2$) trong một bình kín với tổng áp suất là 2.5 atm. Ta có thể tính áp suất riêng phần của từng khí như sau:

• Tổng số mol: $n_{tổng} = 2 + 3 = 5$ mol
• Phân số mol của $N2$: $X{N_2} = \frac{2}{5} = 0.4$
• Phân số mol của $O2$: $X{O_2} = \frac{3}{5} = 0.6$
• Áp suất riêng phần của $N2$: $P{N2} = X{N2} \times P{tổng} = 0.4 \times 2.5 = 1$ atm
• Áp suất riêng phần của $O2$: $P{O2} = X{O2} \times P{tổng} = 0.6 \times 2.5 = 1.5$ atm

Như vậy, áp suất riêng phần của nitơ là 1 atm và áp suất riêng phần của oxy là 1.5 atm. Tổng áp suất riêng phần (1 + 1.5 = 2.5 atm) bằng với tổng áp suất của hỗn hợp, đúng như định luật Dalton.

Sự khác biệt giữa khí lý tưởng và khí thực

Như đã đề cập, định luật Dalton áp dụng chính xác nhất cho khí lý tưởng. Khí lý tưởng là một mô hình lý thuyết trong đó các phân tử khí được coi là các điểm không có thể tích và không tương tác với nhau ngoại trừ va chạm đàn hồi. Khí thực, tuy nhiên, có thể tích hữu hạn và các phân tử của chúng có thể tương tác với nhau. Sự tương tác này trở nên đáng kể hơn ở áp suất cao và nhiệt độ thấp. Do đó, đối với khí thực, định luật Dalton chỉ là một xấp xỉ, và độ chính xác của nó giảm khi điều kiện càng xa rời điều kiện lý tưởng.

Mối liên hệ với các định luật khí khác

Định luật Dalton có liên quan mật thiết với các định luật khí khác, chẳng hạn như định luật Boyle-Mariotte (mô tả mối quan hệ giữa áp suất và thể tích của một lượng khí cố định ở nhiệt độ không đổi) và định luật Charles (mô tả mối quan hệ giữa thể tích và nhiệt độ của một lượng khí cố định ở áp suất không đổi). Khi kết hợp với các định luật này, ta có thể tính toán áp suất, thể tích, nhiệt độ và số mol của các khí trong hỗn hợp. Sự kết hợp này tạo nên một bộ công cụ mạnh mẽ để phân tích và dự đoán hành vi của khí trong nhiều tình huống khác nhau.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill Education.
• Chang, R. (2010). Chemistry. McGraw-Hill Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao định luật Dalton chỉ áp dụng cho khí lý tưởng mà không phải khí thực?

Trả lời: Định luật Dalton dựa trên giả định rằng các phân tử khí không tương tác với nhau, ngoại trừ va chạm đàn hồi. Điều này đúng với khí lý tưởng, là một mô hình lý thuyết. Tuy nhiên, trong khí thực, các phân tử có thể tích hữu hạn và tương tác với nhau thông qua các lực hút và lực đẩy. Những tương tác này trở nên đáng kể hơn ở áp suất cao và nhiệt độ thấp, dẫn đến độ lệch so với định luật Dalton. Ở điều kiện này, thể tích riêng của các phân tử khí không còn không đáng kể so với thể tích tổng cộng, và lực hút giữa các phân tử làm giảm áp suất tổng cộng so với dự đoán của định luật Dalton.

Làm thế nào để tính toán phân số mol của một khí trong hỗn hợp?

Trả lời: Phân số mol ($X_i$) của một khí $i$ trong hỗn hợp được tính bằng cách chia số mol của khí đó ($ni$) cho tổng số mol của tất cả các khí trong hỗn hợp ($n{tổng}$): $X_i = \frac{ni}{n{tổng}}$.

Áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ảnh hưởng đến thời tiết như thế nào?

Trả lời: Áp suất riêng phần của hơi nước, còn được gọi là áp suất hơi nước, là một yếu tố quan trọng trong việc xác định độ ẩm và khả năng hình thành mây và mưa. Khi áp suất hơi nước tăng, lượng hơi nước trong không khí cũng tăng. Khi không khí đạt đến điểm bão hòa, hơi nước bắt đầu ngưng tụ thành các giọt nước hoặc tinh thể băng, tạo thành mây và cuối cùng là mưa.

Nếu một hỗn hợp khí gồm 1 mol khí A có áp suất riêng phần là 2 atm và 2 mol khí B có áp suất riêng phần là 3 atm, tổng áp suất của hỗn hợp là bao nhiêu?

Trả lời: Theo định luật Dalton, tổng áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng áp suất riêng phần của từng khí thành phần. Vậy, tổng áp suất của hỗn hợp này là $P_{tổng} = P_A + P_B = 2 \text{ atm} + 3 \text{ atm} = 5 \text{ atm}$.

Ngoài lặn biển và khí tượng, định luật Dalton còn có ứng dụng nào khác trong thực tế?

Trả lời: Định luật Dalton còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm:

• Y học: Đo áp suất riêng phần của oxy và carbon dioxide trong máu để đánh giá chức năng hô hấp.
• Công nghiệp hóa chất: Tính toán áp suất riêng phần của các chất phản ứng và sản phẩm trong các phản ứng hóa học liên quan đến khí.
• Kỹ thuật môi trường: Phân tích thành phần của không khí ô nhiễm.
• Công nghệ thực phẩm: Đóng gói thực phẩm trong môi trường khí quyển đã được điều chỉnh để kéo dài thời hạn sử dụng.