ඩෝල්ටන්ගේ ආංශික පීඩන නියමය හා මවුල භාගය
ඒකකය 4 · පදාර්ථයේ වායු අවස්ථාව
ආංශික පීඩනය, ඩෝල්ටන් නියමය, මවුල භාගය හා p = xP, සම්බන්ධ කළ භාජනවල වායු මිශ්‍ර කිරීම, ජලය මත වායුවක් එකතු කිරීම, වාතයේ සාමාන්‍ය මවුලික ස්කන්ධය හා ප්‍රතික්‍රියා කරන වායු මිශ්‍රණවල පීඩන වෙනස්වීම්.
ආංශික පීඩනය (Partial Pressure)
ප්‍රතික්‍රියා නොකරන වායු මිශ්‍රණයක සෑම වායුවක් ම අනෙක් ඒවා නොමැති සේ හැසිරේ: එහි අණු ස්වාධීනව චලනය වී තනිව ම බිත්තිවල ගැටේ. A වායුවේ ආංශික පීඩනය $p_A$ යනු එම උෂ්ණත්වයේ දී මුළු පරිමාව ම එය පමණක් ගත්තේ නම් එය ඇති කරන පීඩනය යි: $$p_A = \frac{n_A RT}{V}$$
ඩෝල්ටන්ගේ ආංශික පීඩන නියමය (Dalton's Law)
ප්‍රතික්‍රියා නොකරන වායු මිශ්‍රණයක මුළු පීඩනය එහි සංඝටකවල ආංශික පීඩනවල එකතුව යි: $$P = p_A + p_B + p_C + \cdots = (n_A + n_B + \cdots)\frac{RT}{V}$$
මවුල භාගය (Mole Fraction)
A හි මවුල භාගය යනු මුළු මවුල සංඛ්‍යාවෙන් එහි කොටස යි: $$x_A = \frac{n_A}{n_A + n_B + \cdots}, \qquad x_A + x_B + \cdots = 1$$ $p_A = n_ART/V$, $P = n_{මුළු}RT/V$ මගින් බෙදීමෙන් $$p_A = x_A P$$ වායුවලට මවුල භාගය පරිමා භාගය ද වේ: පරිමාව අනුව වාතය 78% ක් $\text{N}_2$ හා 21% ක් $\text{O}_2$ වන බැවින් $1.00 \times 10^5\ \text{Pa}$ හි දී $p(\text{N}_2) = 0.78 \times 10^5\ \text{Pa}$ හා $p(\text{O}_2) = 0.21 \times 10^5\ \text{Pa}$.
උදාහරණය: He $4.0\ \text{g}$ ($1.0\ \text{mol}$) හා $\text{N}_2$ $14.0\ \text{g}$ ($0.50\ \text{mol}$) මිශ්‍රණයක මුළු පීඩනය $1.5 \times 10^5\ \text{Pa}$ වේ. $x(\text{He}) = \dfrac{1.0}{1.5} = \dfrac{2}{3}$; එබැවින් $p(\text{He}) = 1.0 \times 10^5\ \text{Pa}$ හා $p(\text{N}_2) = 0.50 \times 10^5\ \text{Pa}$. ස්කන්ධ භාග (He 22%) මවුල භාගවලින් බෙහෙවින් වෙනස් බව සලකන්න.
සාමාන්‍ය මවුලික ස්කන්ධය. මිශ්‍රණයක් $\bar{M} = \sum x_iM_i$ ඇති වායුවක් ලෙස හැසිරේ. වාතයට $\bar{M} = 0.78(28) + 0.21(32) + 0.01(40) = 29\ \text{g mol}^{-1}$. $M < 29$ වූ වායු ($\text{NH}_3$, $\text{CH}_4$, $\text{H}_2$) වාතයට වඩා අඩු ඝනත්වයක් ඇති බැවින් ඉහළ නගී; $\text{CO}_2$ ($M = 44$) හා $\text{Cl}_2$ පහත් ස්ථානවල එකතු වේ.
සම්බන්ධ කළ භාජනවල වායු මිශ්‍ර කිරීම
එක ම උෂ්ණත්වයේ ඇති භාජන දෙකක් අතර කරාමය විවෘත කළ විට සෑම වායුවක් ම මුළු පරිමාව පුරා පැතිරේ. එහි නව ආංශික පීඩනය බොයිල් නියමයෙන් ලැබේ: $p_{නව} = p_{පැරණි} \times \dfrac{V_{පැරණි}}{V_{මුළු}}$.
උදාහරණය: $3.0 \times 10^5\ \text{Pa}$ හි $\text{N}_2$ ඇති $2.0\ \text{dm}^3$ ප්ලාස්කුවක් $1.0 \times 10^5\ \text{Pa}$ හි $\text{O}_2$ ඇති $3.0\ \text{dm}^3$ ප්ලාස්කුවකට එක ම උෂ්ණත්වයේ දී සම්බන්ධ කෙරේ. මිශ්‍ර වූ පසු $p(\text{N}_2) = 3.0 \times 10^5 \times \dfrac{2.0}{5.0} = 1.2 \times 10^5\ \text{Pa}$, $p(\text{O}_2) = 1.0 \times 10^5 \times \dfrac{3.0}{5.0} = 0.60 \times 10^5\ \text{Pa}$ හා $P = 1.8 \times 10^5\ \text{Pa}$. $\text{N}_2$ හි මවුල භාගය $\dfrac{1.2}{1.8} = \dfrac{2}{3}$.
ජලය මත වායුවක් එකතු කිරීම
ජලය මත එකතු කරන වායුවක් ජල වාෂ්පයෙන් සංතෘප්ත වේ. එකතු කරන භාජනය ඇතුළත හා පිටත ජල මට්ටම් සමාන වන විට ඇතුළත පීඩනය වායුගෝලීය පීඩනයට සමාන ය; එබැවින් $$P_{atm} = p(\text{වායුව}) + p(\text{H}_2\text{O})$$ මෙහි $p(\text{H}_2\text{O})$ යනු එම උෂ්ණත්වයේ ජලයේ සංතෘප්ත වාෂ්ප පීඩනය (Saturated Vapour Pressure) යි (එය උෂ්ණත්වය මත පමණක් රඳා පවතී).
උදාහරණය: $27\ ^\circ\text{C}$ හා $100.0\ \text{kPa}$ හි දී ජලය මත හයිඩ්‍රජන් $250\ \text{cm}^3$ ක් එකතු කෙරේ; $27\ ^\circ\text{C}$ හි ජලයේ වාෂ්ප පීඩනය $3.6\ \text{kPa}$ වේ. $p(\text{H}_2) = 96.4\ \text{kPa}$; එබැවින් $n(\text{H}_2) = \dfrac{96.4 \times 10^3 \times 250 \times 10^{-6}}{8.314 \times 300} = 9.66 \times 10^{-3}\ \text{mol}$.
ප්‍රතික්‍රියා කරන වායු මිශ්‍රණ
ඩෝල්ටන් නියමය එකතු කරන්නේ ප්‍රතික්‍රියා නොකරන වායුවල පීඩන ය. වායු ප්‍රතික්‍රියා කරන්නේ නම් පළමුව සමීකරණයෙන් ප්‍රතික්‍රියාවෙන් පසු ප්‍රමාණ සොයා ඉන්පසු $p_i = n_iRT/V$ යොදන්න.
උදාහරණය: $400\ \text{K}$ හි $1.00\ \text{dm}^3$ භාජනයක $\text{H}_2$ $0.020\ \text{mol}$ හා $\text{O}_2$ $0.020\ \text{mol}$ ඇත (මුළු පීඩනය $1.33 \times 10^5\ \text{Pa}$). මිශ්‍රණය පුපුරුවා ජලය වායුවක් වන $400\ \text{K}$ වෙත නැවත ගෙන එනු ලැබේ. $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$: සියලු $\text{H}_2$, $\text{O}_2$ $0.010\ \text{mol}$ සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කර $\text{H}_2\text{O}$ $0.020\ \text{mol}$ දී $\text{O}_2$ $0.010\ \text{mol}$ ඉතිරි කරයි. මුළු $0.030\ \text{mol}$; එබැවින් $P = \dfrac{0.030 \times 8.314 \times 400}{1.00 \times 10^{-3}} = 1.00 \times 10^5\ \text{Pa}$, $p(\text{H}_2\text{O}) = 6.65 \times 10^4\ \text{Pa}$ හා $p(\text{O}_2) = 3.33 \times 10^4\ \text{Pa}$.
Exam tip: නියත $V$ හා $T$ හි දී පීඩනය මවුලවලට සමානුපාතික බැවින් බොහෝ විට පීඩන මවුල ලෙස ම සලකා කෙලින් ම වැඩ කළ හැකි ය; උදාහරණයක් ලෙස $\text{N}_2\text{O}_4 \rightleftharpoons 2\text{NO}_2$ වැනි ප්‍රතික්‍රියාවක. ප්‍රතික්‍රියාවට පෙර හා පසු උෂ්ණත්වය හා පරිමාව සත්‍ය වශයෙන් ම සමාන දැයි තහවුරු කර ගන්න.